JP2011082306A - Zinc oxide-based semiconductor light emitting element and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-performance zinc oxide-based semiconductor light emitting element that ensures a uniform light emission intensity distribution and high light emission efficiency by making a current density distribution uniform, and is superior in mass-productivity, and a method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: A ZnO-based crystal layer grown on a substrate of sapphire (Al<SB>2</SB>O<SB>3</SB>) single crystal includes a solid solution layer having aluminum (Al) solid-dissolved in an interface with the substrate to have a concentration of 8×10<SP>20</SP>pieces/cm<SP>3</SP>, and a high-concentration diffusion layer of ≥1×10<SP>19</SP>cm<SP>3</SP>in Al concentration. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、酸化亜鉛系半導体素子及びその成長方法に関し、特に、MOCVD法により、サファイア基板上に形成した酸化亜鉛系半導体発光素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a zinc oxide based semiconductor device and a method for growing the same, and more particularly to a zinc oxide based semiconductor light emitting device formed on a sapphire substrate by MOCVD and a method for manufacturing the same.

酸化亜鉛(ZnO)は、室温で3.37eVのバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型の半導体で、青ないし紫外領域の光素子用の材料として期待されている。特に、励起子の束縛エネルギーが60meV、また屈折率n=2.0と半導体発光素子に極めて適した物性を有している。また、発光素子、受光素子に限らず、表面弾性波(SAW)デバイス、圧電素子等にも広く応用が可能である。さらに、原材料が安価であるとともに、環境や人体に無害であるという特徴を有している。また、特に、かかる材料系による高効率かつ低消費電力の半導体発光素子の実現が期待されている。   Zinc oxide (ZnO) is a direct transition type semiconductor having a band gap energy of 3.37 eV at room temperature, and is expected as a material for optical elements in the blue or ultraviolet region. In particular, the exciton binding energy is 60 meV and the refractive index n = 2.0, which is very suitable for a semiconductor light emitting device. Further, the present invention can be widely applied not only to light emitting elements and light receiving elements but also to surface acoustic wave (SAW) devices, piezoelectric elements, and the like. In addition, the raw material is inexpensive and harmless to the environment and the human body. In particular, it is expected to realize a semiconductor light emitting device with high efficiency and low power consumption by such a material system.

ところで、酸化亜鉛(ZnO)系単結晶はサファイア基板、SiC単結晶基板、SCAM(ScAlMgO4:スカンジウム・アルミニウム・マグネシウム・ オキサイド)単結晶基板、及びZnO単結晶基板等の上に成長することが可能である。半導体素子、例えば、半導体発光素子の製造においては、導電性基板のSiC基板、ZnO基板を用いた場合は、一般的に、n型半導体層、発光層及びp型半導体層から構成される積層構造に縦方向(垂直方向)に電流を流す素子構造が用いられる。一方、絶縁性基板のサファイア基板、SCAM基板を用いた場合には、同一面上に電極を形成し、水平方向に電流を流す素子構造が用いられる。ところが、絶縁性基板を用いて水平方向に電流を流す場合には、発光区画(領域)に電流密度分布が生じ、輝度分布の不均一を生じる、という問題があった。   By the way, zinc oxide (ZnO) single crystals can be grown on sapphire substrates, SiC single crystal substrates, SCAM (ScAlMgO4: scandium / aluminum / magnesium / oxide) single crystal substrates, ZnO single crystal substrates, and the like. is there. In the manufacture of a semiconductor element, for example, a semiconductor light emitting element, when a SiC substrate or a ZnO substrate as a conductive substrate is used, a laminated structure generally composed of an n-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type semiconductor layer is used. An element structure is used in which a current flows in the vertical direction (vertical direction). On the other hand, when an insulating substrate such as a sapphire substrate or SCAM substrate is used, an element structure is used in which electrodes are formed on the same surface and current flows in the horizontal direction. However, when a current is passed in the horizontal direction using an insulating substrate, there is a problem in that a current density distribution is generated in the light emitting section (region), resulting in uneven luminance distribution.

このような発光面内における発光輝度分布の不均一を抑制することについては、例えば特許文献1ないし4に開示されている。しかしながら、これらに記載の方法は、電極の形状や電極の位置を工夫して電流分布、発光強度分布を均一化しようとするものであり、製造工程が複雑である、歩留まりが低下する、発光領域の面積が狭くなり電流密度が高くなる等の問題があった。   For example, Patent Documents 1 to 4 disclose that such unevenness of the light emission luminance distribution in the light emitting surface is suppressed. However, these methods are designed to make the current distribution and emission intensity distribution uniform by devising the shape of the electrode and the position of the electrode, the manufacturing process is complicated, the yield decreases, and the light emitting region There is a problem in that the area of the substrate becomes narrow and the current density becomes high.

特開2000-164930号公報JP 2000-164930 A 特開2001-345480号公報JP 2001-345480 特開2004-221529号公報JP 2004-221529 特開2005-328080号公報JP 2005-328080 JP

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、その目的は、均一な電流密度分布の得られる半導体素子、特に、電流密度分布を均一化し、均一な発光強度分布及び高い発光効率の得られる、量産性に優れた高性能な半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described points, and an object of the present invention is to provide a semiconductor element having a uniform current density distribution, in particular, a uniform current density distribution, a uniform light emission intensity distribution, and a high light emission efficiency. An object of the present invention is to provide a high-performance semiconductor light emitting device excellent in mass productivity and a method for manufacturing the same.

本発明の半導体素子は、サファイア(Al)単結晶の基板上にZnO系結晶を成長した半導体素子であって、
基板との界面に前記基板のアルミニウム(Al)が8×1020個/cm以上の濃度で固溶した固溶層、及び基板から拡散したAlの濃度が1×1019cm以上である高濃度拡散層を有するZnO系結晶層と、
上記ZnO系結晶層上に形成されたデバイス層と、を有することを特徴としている。
The semiconductor element of the present invention is a semiconductor element obtained by growing a ZnO-based crystal on a sapphire (Al 2 O 3 ) single crystal substrate,
A solid solution layer in which aluminum (Al) of the substrate is dissolved at a concentration of 8 × 10 20 pieces / cm 3 or more at the interface with the substrate, and a concentration of Al diffused from the substrate is 1 × 10 19 cm 3 or more. A ZnO-based crystal layer having a high-concentration diffusion layer;
And a device layer formed on the ZnO-based crystal layer.

また、本発明の成長層付き基板は、サファイア(Al)単結晶の基板上にZnO系結晶を成長した成長層付き基板であって、
基板との界面に基板のアルミニウム(Al)が8×1020個/cm以上の濃度で固溶した固溶層、及び基板から拡散したAlの濃度が1×1019cm以上である高濃度拡散層を有するZnO系結晶層を有することを特徴としている。
The substrate with a growth layer of the present invention is a substrate with a growth layer obtained by growing a ZnO-based crystal on a sapphire (Al 2 O 3 ) single crystal substrate,
A solid solution layer in which aluminum (Al) of the substrate is dissolved at a concentration of 8 × 10 20 pieces / cm 3 or more at the interface with the substrate, and a high concentration of Al diffused from the substrate is 1 × 10 19 cm 3 or more. It is characterized by having a ZnO-based crystal layer having a concentration diffusion layer.

また、本発明は、サファイア(Al)単結晶の基板上にZnO系結晶を成長して半導体素子を製造する方法であって、
基板との界面に基板のアルミニウム(Al)が8×1020個/cm以上の濃度で固溶した固溶層、及び基板から拡散したAlの濃度が1×1019cm以上である高濃度拡散層を有するZnO系結晶層を形成する工程と、
上記ZnO系結晶層上に形成されたデバイス層を形成する工程と、を有し、
上記ZnO系結晶層を形成する工程は、酸素を含まない有機金属化合物と水蒸気を用いたMOCVD法により、
(a)250℃〜450℃の範囲内の第1の低成長温度及び1kPa〜30kPaの範囲内の低成長圧力で結晶成長を行って第1の単結晶層を形成するステップと、
(b)上記第1の低成長温度よりも高い第2の低成長温度及び上記低成長圧力よりも高い圧力で結晶成長を行って上記第1の単結晶層上に第2の単結晶層を形成するステップと、
(c)高成長温度及び前記低成長圧力よりも高い圧力で結晶成長を行って上記第2の単結晶層上に第3の単結晶層を形成するステップと、を有することを特徴としている。
The present invention also relates to a method of manufacturing a semiconductor device by growing a ZnO-based crystal on a sapphire (Al 2 O 3 ) single crystal substrate,
A solid solution layer in which aluminum (Al) of the substrate is dissolved at a concentration of 8 × 10 20 pieces / cm 3 or more at the interface with the substrate, and a high concentration of Al diffused from the substrate is 1 × 10 19 cm 3 or more. Forming a ZnO-based crystal layer having a concentration diffusion layer;
Forming a device layer formed on the ZnO-based crystal layer,
The step of forming the ZnO-based crystal layer is performed by MOCVD using an organic metal compound not containing oxygen and water vapor.
(A) performing crystal growth at a first low growth temperature within a range of 250 ° C. to 450 ° C. and a low growth pressure within a range of 1 kPa to 30 kPa to form a first single crystal layer;
(B) Crystal growth is performed at a second low growth temperature higher than the first low growth temperature and a pressure higher than the low growth pressure to form a second single crystal layer on the first single crystal layer. Forming step;
(C) performing a crystal growth at a high growth temperature and a pressure higher than the low growth pressure to form a third single crystal layer on the second single crystal layer.

本発明によれば、基板との界面に基板由来のアルミニウム(Al)が固溶した固溶層と、Alが高濃度に拡散した高濃度拡散層が設けられている。固溶層及び高濃度拡散層からなる層は電気抵抗が低く、均一な電流密度分布が得られる。従って、発光領域面内における発光強度分布は均一となり、電流注入効率も高まり、発光強度も改善される。   According to the present invention, the solid solution layer in which aluminum (Al) derived from the substrate is dissolved and the high concentration diffusion layer in which Al is diffused at a high concentration are provided at the interface with the substrate. The layer composed of the solid solution layer and the high concentration diffusion layer has a low electric resistance, and a uniform current density distribution can be obtained. Therefore, the light emission intensity distribution in the light emitting region is uniform, the current injection efficiency is increased, and the light emission intensity is also improved.

結晶成長に用いたMOCVD装置の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the MOCVD apparatus used for crystal growth. 本発明によりサファイア基板上に成長されたZnO系結晶層を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the ZnO type | system | group crystal layer grown on the sapphire substrate by this invention. MOCVD法による結晶成長に用いられた結晶成長シーケンスを示す図である。It is a figure which shows the crystal growth sequence used for the crystal growth by MOCVD method. 本発明の実施例2である半導体発光素子(LED)ウエハの構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the semiconductor light-emitting device (LED) wafer which is Example 2 of this invention. LEDデバイス層付き基板の結晶成長に用いられた結晶成長シーケンスを示す図である。It is a figure which shows the crystal growth sequence used for the crystal growth of the board | substrate with an LED device layer. LEDデバイス層付き基板の上面図である。It is a top view of a board | substrate with an LED device layer. LEDデバイス層付き基板の素子分離工程の概略を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the outline of the element separation process of a board | substrate with an LED device layer. 半導体発光素子(LED)の上面図及び断面図である。It is the top view and sectional drawing of a semiconductor light emitting element (LED). RF−MBE法により形成した比較例の結晶成長層の構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the crystal growth layer of the comparative example formed by RF-MBE method. 実施例1の成長層付き基板の結晶成長層のSIMS分析結果である。It is a SIMS analysis result of the crystal growth layer of the board | substrate with a growth layer of Example 1. FIG. 図10に示すAl濃度及びZnイオン強度の界面(X)付近におけるプロファイルを拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the profile in the interface (X) vicinity of Al concentration and Zn ion intensity which are shown in FIG. 比較例のサンプルのSIMS分析結果である。It is a SIMS analysis result of the sample of a comparative example. 実施例1の成長層表面の微分顕微鏡像である。2 is a differential microscope image of the growth layer surface of Example 1. FIG. 実施例1の成長層表面のSEM像である。2 is a SEM image of the growth layer surface of Example 1. FIG. ZnO層の層厚(t)が1μmの場合の(002)ω及び(100)ωロッキングカーブである。These are (002) ω and (100) ω rocking curves when the thickness (t) of the ZnO layer is 1 μm. ZnO層の層厚(t)が3μmの場合の(002)ω及び(100)ωロッキングカーブである。These are (002) ω and (100) ω rocking curves when the thickness (t) of the ZnO layer is 3 μm.

以下においては、MOCVD法によりサファイア基板上に酸化亜鉛(ZnO)系素子構造体(デバイス層)が形成されたウエハの製造方法について図面を参照して詳細に説明する。また、当該半導体素子として半導体発光素子(LED:Light Emitting Diode)を例に説明する。なお、以下に説明する図において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付している。   Hereinafter, a method for manufacturing a wafer in which a zinc oxide (ZnO) -based element structure (device layer) is formed on a sapphire substrate by MOCVD will be described in detail with reference to the drawings. Further, a semiconductor light emitting element (LED: Light Emitting Diode) will be described as an example of the semiconductor element. In the drawings described below, substantially the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals.

図1は、結晶成長に用いたMOCVD装置5の構成を模式的に示している。MOCVD装置5の装置構成の詳細について以下に説明する。また、結晶成長材料については後に詳述する。   FIG. 1 schematically shows the configuration of the MOCVD apparatus 5 used for crystal growth. Details of the apparatus configuration of the MOCVD apparatus 5 will be described below. The crystal growth material will be described in detail later.

[装置構成]
MOCVD装置5は、ガス供給部5A、反応容器部5B及び排気部5Cから構成されている。ガス供給部5Aは、有機金属化合物材料を気化して供給する部分と、気体材料ガスを供給する部分と、これらのガスを輸送する機能を備えた輸送部とから構成されている。
[Device configuration]
The MOCVD apparatus 5 includes a gas supply unit 5A, a reaction vessel unit 5B, and an exhaust unit 5C. 5 A of gas supply parts are comprised from the part which vaporizes and supplies organometallic compound material, the part which supplies gaseous material gas, and the transport part provided with the function to convey these gas.

常温で液体(または固体)である有機金属化合物材料は、気化し蒸気として供給する。本実施例においては、亜鉛(Zn)源としてDMZn(ジメチル亜鉛)、マグネシウム(Mg)源としてCp2Mg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)、ガリウム(Ga)源としてTEGa(トリエチルガリウム)をそれぞれ用いた。   An organometallic compound material that is liquid (or solid) at room temperature is vaporized and supplied as vapor. In this example, DMZn (dimethylzinc) was used as the zinc (Zn) source, Cp2Mg (biscyclopentadienylmagnesium) was used as the magnesium (Mg) source, and TEGa (triethylgallium) was used as the gallium (Ga) source.

まず、DMZnの供給について説明する。図1に示すように、窒素ガスを流量調整装置(マスフローコントローラ)121S にて所定の流量とし、ガス供給弁121Mを通してDMZn格納容器121Cに送り、DMZn蒸気を窒素ガス中に飽和させる。そして、DMZn飽和窒素ガスを取出し弁121E、圧力調整装置121Pを通して、成長待機時には第1ベント配管(以下、第1VENTライン(VENT1)という。)128Vに、成長時には第1ラン配管(以下、第1RUNライン(RUN1)という。)128Rに供給する。なお、この際、圧力調整装置121Pによって格納容器内圧を一定に調整する。またDMZn格納容器は恒温槽121Tで一定温度に保たれる。   First, the supply of DMZn will be described. As shown in FIG. 1, the nitrogen gas is adjusted to a predetermined flow rate by a flow rate adjusting device (mass flow controller) 121S and sent to the DMZn storage container 121C through the gas supply valve 121M to saturate the DMZn vapor in the nitrogen gas. Then, the DMZn saturated nitrogen gas is taken out through the valve 121E and the pressure adjusting device 121P to the first vent pipe (hereinafter referred to as the first VENT line (VENT1)) 128V during the growth standby, and to the first run pipe (hereinafter referred to as the first RUN) during the growth. Line (RUN1).) Supply to 128R. At this time, the internal pressure of the storage container is adjusted to be constant by the pressure adjusting device 121P. Further, the DMZn storage container is kept at a constant temperature in the thermostatic chamber 121T.

また、その他の有機金属化合物材料Cp2Mg、TEGaについても同様である。すなわち、これらの材料をそれぞれ格納する格納容器122C(Cp2Mg),123C(TEGa)に流量調整装置122S、123Sを経た所定の流量の窒素ガスが送気され、取出し弁122E、123E及び圧力調整装置122P、123Pを通して、成長待機時には第1VENTライン(VENT1)128Vに、成長時には第1RUNライン(RUN1)128Rにこれらのガスが供給される。   The same applies to other organometallic compound materials Cp2Mg and TEGa. That is, nitrogen gas having a predetermined flow rate is supplied to the storage containers 122C (Cp2Mg) and 123C (TEGa) for storing these materials through the flow rate adjusting devices 122S and 123S, and the take-off valves 122E and 123E and the pressure adjusting device 122P are supplied. , 123P, these gases are supplied to the first VENT line (VENT1) 128V during growth standby and to the first RUN line (RUN1) 128R during growth.

また、酸素源としての液体材料であるHO(水蒸気)は格納容器124Cに流量調整装置124Sを経た所定の流量の窒素ガスが送気され、取出し弁124E、圧力調整装置124Pを通して、成長待機時には第2ベント配管(以下、第2VENTライン(VENT2)という。)129Vに、成長時には第2ラン配管(以下、第2RUNライン(RUN2)という。)129Rに供給される。 In addition, H 2 O (water vapor), which is a liquid material as an oxygen source, is supplied with a predetermined flow rate of nitrogen gas through the flow rate adjusting device 124S to the containment vessel 124C, and waits for growth through the take-off valve 124E and the pressure adjusting device 124P. Sometimes it is supplied to the second vent pipe (hereinafter referred to as the second VENT line (VENT2)) 129V, and at the time of growth to the second run pipe (hereinafter referred to as the second RUN line (RUN2)) 129R.

p型不純物源としては、気体材料であるNH(アンモニア)ガスを用いた。NHガスは、流量調整装置125Sにより所定の流量が供給される。待機時には第2VENTライン129V、成長時には第2RUNライン129Rに供給される。なお、当該ガスは、窒素やAr(アルゴン)などの不活性ガスで希釈されていても構わない。 As the p-type impurity source, NH 3 (ammonia) gas, which is a gaseous material, was used. The NH 3 gas is supplied at a predetermined flow rate by the flow rate adjusting device 125S. The power is supplied to the second VENT line 129V during standby and to the second RUN line 129R during growth. Note that the gas may be diluted with an inert gas such as nitrogen or Ar (argon).

上記した液体または固体材料の蒸気と気体材料(以下、材料ガスという。)は、第1RUNライン128R、第2RUNライン129Rを通して反応容器部5Bのシャワーヘッド130に供給される。なお、第1RUNライン128R及び第2RUNライン129Rのそれぞれにも流量調整装置120C、120Bが設けられており、材料ガスはキャリアガス(窒素ガス)によって反応容器(チャンバ)139の上部に取付けられたシャワーヘッド130に送り込まれる。   The liquid or solid material vapor and the gas material (hereinafter referred to as material gas) are supplied to the shower head 130 of the reaction vessel 5B through the first RUN line 128R and the second RUN line 129R. The first RUN line 128R and the second RUN line 129R are also provided with flow rate adjusting devices 120C and 120B, respectively, and the material gas is a shower attached to the upper part of the reaction vessel (chamber) 139 by a carrier gas (nitrogen gas). It is sent to the head 130.

なお、シャワーヘッド130は、基板10の主面(成長面)に対向する噴出面を有し、当該噴出面内に亘って材料ガスの噴出孔が列及び行方向に多数(例えば、数10〜100)形成されている。また、当該噴出面の有効噴出直径は基板の外径よりも大きい。   The shower head 130 has an ejection surface that faces the main surface (growth surface) of the substrate 10, and a large number of material gas ejection holes in the row and row directions (for example, several 10 to 10). 100) formed. The effective ejection diameter of the ejection surface is larger than the outer diameter of the substrate.

当該噴出孔は、第1RUNライン128Rから供給される有機金属化合物材料ガス(II族ガス)が噴出される第1の噴出孔と、第2RUNライン129Rから供給されるHO(水蒸気)(VI族ガス)が噴出される第2の噴出孔と、からなっている。そして、第1RUNライン128Rからのガスと第2RUNライン129Rからのガスは混合されずにそれぞれ第1の噴出孔及び第2の噴出孔から噴出されるように構成されている。第1の噴出孔及び第2の噴出孔はほぼ同数で互いに数mmの間隔で設けられ、有機金属化合物材料ガス及びHOが均一に混合するように、各列及び各行において交互に配置されている。 The ejection holes include a first ejection hole from which the organometallic compound material gas (group II gas) supplied from the first RUN line 128R is ejected, and H 2 O (water vapor) (VI) supplied from the second RUN line 129R. A second ejection hole from which a group gas) is ejected. The gas from the first RUN line 128R and the gas from the second RUN line 129R are configured to be ejected from the first ejection hole and the second ejection hole, respectively, without being mixed. The first ejection holes and the second ejection holes are provided in substantially the same number and at intervals of several mm from each other, and are alternately arranged in each column and each row so that the organometallic compound gas and H 2 O are uniformly mixed. ing.

反応容器139内には材料ガスを基板10に吹付けるシャワーヘッド130、基板10、基板10を保持するサセプタ119、サセプタ119を加熱するヒーター149が設置されている。そして、ヒーター149によって基板を室温から1100℃程度まで加熱できる構造となっている。   In the reaction vessel 139, a shower head 130 that blows a material gas onto the substrate 10, a substrate 10, a susceptor 119 that holds the substrate 10, and a heater 149 that heats the susceptor 119 are installed. The heater 149 can heat the substrate from room temperature to about 1100 ° C.

なお、本実施例における基板温度とは、基板を載置するサセプタ119の表面の温度を指している。すなわち、MOCVD法の場合、サセプタ119から基板10への熱伝達は直接接触、およびサセプタ119と基板10間に存在するガスにより行なわれる。本実施例で用いた成長圧力1kPa〜120kPa(Pa:パスカル)の間では、基板10の表面温度はサセプタ119の表面温度より0℃〜10℃低い程度である。   Note that the substrate temperature in this embodiment refers to the temperature of the surface of the susceptor 119 on which the substrate is placed. That is, in the case of the MOCVD method, heat transfer from the susceptor 119 to the substrate 10 is performed by direct contact and a gas existing between the susceptor 119 and the substrate 10. Between the growth pressures of 1 kPa to 120 kPa (Pa: Pascal) used in this example, the surface temperature of the substrate 10 is about 0 ° C. to 10 ° C. lower than the surface temperature of the susceptor 119.

また、反応容器139にはサセプタ119を回転させる回転機構が設けられている。より詳細には、サセプタ119はサセプタ支持筒148に支持され、サセプタ支持筒148はステージ141上に回転自在に支持されている。そして、回転モータ43がサセプタ支持筒148を回転させることによりサセプタ119(すなわち、基板10)を回転させる。なお、上記したヒーター149は、サセプタ支持筒148内に設置されている。   The reaction vessel 139 is provided with a rotation mechanism for rotating the susceptor 119. More specifically, the susceptor 119 is supported by a susceptor support cylinder 148, and the susceptor support cylinder 148 is rotatably supported on the stage 141. Then, the rotation motor 43 rotates the susceptor support cylinder 148 to rotate the susceptor 119 (that is, the substrate 10). The heater 149 is installed in the susceptor support cylinder 148.

排気部5Cは、容器内圧力調整装置151と排気ポンプ152で構成されており、容器内圧力調整装置151にて反応容器139内の圧力を0.01kPaないし120kPa程度まで調整できる構造となっている。   The exhaust part 5C includes a container internal pressure adjusting device 151 and an exhaust pump 152. The internal pressure adjusting device 151 can adjust the pressure in the reaction container 139 to about 0.01 kPa to 120 kPa. .

[結晶成長材料]
本実施例においては、有機金属化合物材料(または有機金属材料)として、構成分子内に酸素を含まない材料を用いた。酸素を含まない有機金属材料は、水蒸気(酸素材料又は酸素源)との反応性が高く、低成長圧力、あるいは水蒸気と有機金属(MO)の流量比(FH2O/FMO比)又はVI/II比が低い領域においてもZnO系結晶の成長を可能とする。
[Crystal growth material]
In this example, a material that does not contain oxygen in the constituent molecules was used as the organometallic compound material (or organometallic material). An organometallic material that does not contain oxygen is highly reactive with water vapor (oxygen material or oxygen source), and has a low growth pressure, or a flow rate ratio of water vapor to organometallic (MO) (F H2O / FMO ratio) or VI / ZnO-based crystals can be grown even in a region where the II ratio is low.

本実施例においては、DMZn、Cp2Mg、TEGaを用いたが、II族材料として、DEZn(ジエチル亜鉛)、MeCp2Mg(ビスメチルペンタジエニルマグネシウム)、EtCp2Mg(ビスエチルペンタジエニルマグネシウム)等を用いることができる。また、III族材料として、TMGa(トリメチルガリウム)、TMAl(トリメチルアルミニウム)、TEAl(トリエチルアルミニウム)、TIBA(トリイソブチルアルミニウム)などを利用することができる。   In this example, DMZn, Cp2Mg, and TEGa were used, but DEZn (diethylzinc), MeCp2Mg (bismethylpentadienylmagnesium), EtCp2Mg (bisethylpentadienylmagnesium), etc., were used as group II materials. Can do. Further, TMGa (trimethylgallium), TMAl (trimethylaluminum), TEAl (triethylaluminum), TIBA (triisobutylaluminum), or the like can be used as the group III material.

酸素材料(以下、酸素源という。)としては、極性酸素材料(極性酸素源)が適している。特に、HO(水蒸気)は、分子内に水素原子が結合した側と孤立電子対側でδ、δに大きく分極しており、酸化物結晶表面への吸着能力が優れている。 As the oxygen material (hereinafter referred to as oxygen source), a polar oxygen material (polar oxygen source) is suitable. In particular, H 2 O (water vapor) is greatly polarized to δ + and δ on the side where hydrogen atoms are bonded in the molecule and on the side of the lone pair, and has an excellent adsorption ability to the oxide crystal surface.

また、HO分子は、水素原子結合手と孤立電子対で4面体構造をとり、sp型混成軌道の閃亜鉛鉱構造(Zincblende/Cubic)、ウルツ鉱構造(Wurtzeite/Hexagonal)の酸化物結晶の成長では、優先的に酸素サイトに配向吸着する優れた酸素源である。他の酸素源として、同様に、双極子モーメントが大きくO原子がsp型混成軌道を取る低級アルコール類でも良い。すなわち、具体的には、酸素源として、HO(水蒸気)以外に、低級アルコール類、特に、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノールの炭素数が1〜5の低級アルコール類が利用できる。なお、本実施例にはHOを用い、比較例にはO(酸素)、NO(亜酸化窒素)を用いた。 The H 2 O molecule has a tetrahedral structure with a hydrogen atom bond and a lone pair, and an oxide of sp 3 type hybrid orbital (Zincblende / Cubic) and wurtzite (Wurtzeite / Hexagonal). Crystal growth is an excellent oxygen source that is preferentially oriented and adsorbed to oxygen sites. Similarly, other oxygen sources may be lower alcohols having a large dipole moment and O atoms taking sp 3 type hybrid orbitals. Specifically, as an oxygen source, in addition to H 2 O (water vapor), lower alcohols, in particular, lower alcohols having 1 to 5 carbon atoms such as methanol, ethanol, propanol, butanol and pentanol can be used. . In this example, H 2 O was used, and O 2 (oxygen) and N 2 O (nitrous oxide) were used in the comparative example.

p型不純物源としては、結晶成長過程において閃亜鉛鉱構造、ウルツ鉱構造のO(酸素)サイトに置換し易い化合物が適している。特に、NHは、上記HOと同様な作用があり適している。具体的には、p型不純物材料として、NH(アンモニア)、(CHNNH(ジメチルヒドラジン)、(CH)NHNH(モノメチルヒドラジン)などのヒドラジン類、PH3(フォスフィン)、RPH、RPH、RPなどのアルキル燐化合物、AsH3(アルシン)、RPH、RPH、RPなどのアルキル砒素化合物などを利用できる。また、n型不純物源としては、TEGa(トリエチルガリウム)を用いた。なお、これらのガスは、窒素やAr(アルゴン)などの不活性ガスで希釈されていても構わない。 As the p-type impurity source, a compound that can easily be substituted for the O (oxygen) site of the zinc blende structure or the wurtzite structure in the crystal growth process is suitable. In particular, NH 3 is suitable because it has the same action as the above H 2 O. Specifically, as a p-type impurity material, hydrazines such as NH 3 (ammonia), (CH 3 ) 2 NNH 2 (dimethylhydrazine), (CH 3 ) NHNH 2 (monomethylhydrazine), PH3 (phosphine), R 1 PH 2, R 2 PH, alkyl phosphorus compounds, such as R 3 P, AsH3 (arsine), R 1 PH 2, R 2 PH, available as alkyl arsenic compounds, such as R 3 P. Further, TEGa (triethylgallium) was used as the n-type impurity source. Note that these gases may be diluted with an inert gas such as nitrogen or Ar (argon).

キャリアガス(雰囲気ガス)としては、上記した結晶成長材料と反応しない不活性ガスが適している。また、HO(水蒸気)、NHなど結晶成長材料の基板表面への吸着を妨げないガスが良い。具体的には、キャリアガス及び雰囲気ガスとして、He(ヘリウム)、Ne(ネオン)、Ar(アルゴン)、またはN(窒素)などの化学的に不活性なガスを利用できる。液体または固体材料の蒸気と気体材料(以下、材料ガスという。)はキャリアガスによってシャワーヘッドに送り込まれ、基板に供給される。 As the carrier gas (atmosphere gas), an inert gas that does not react with the crystal growth material described above is suitable. Further, a gas that does not prevent adsorption of the crystal growth material such as H 2 O (water vapor) and NH 3 on the substrate surface is preferable. Specifically, a chemically inert gas such as He (helium), Ne (neon), Ar (argon), or N 2 (nitrogen) can be used as the carrier gas and the atmospheric gas. Liquid or solid material vapor and gaseous material (hereinafter referred to as material gas) are fed into the showerhead by the carrier gas and supplied to the substrate.

基板10は、コランダム構造を有するサファイア単結晶のサファイア(Al)基板である。サファイア結晶の代表的な基板切り出し面は、{0002}面であるc面、{11−20}面であるa面、{10−10}面であるm面、{10−12}面であるR面がある。本実施例においては、{11−20}面であるa面(以下、サファイアa面ともいう。)を結晶成長面とした。また、以下においては、サファイアa面を主面(結晶成長面)とする基板をa面サファイア基板とも称する。なお、ここで、ミラー指数{ }は等価な面の代表値を示している。 The substrate 10 is a sapphire single crystal sapphire (Al 2 O 3 ) substrate having a corundum structure. Typical substrate cut-out surfaces of the sapphire crystal are a c-plane that is a {0002} plane, an a-plane that is a {11-20} plane, an m-plane that is a {10-10} plane, and a {10-12} plane. There is an R side. In this example, the a-plane (hereinafter also referred to as sapphire a-plane) that is the {11-20} plane was used as the crystal growth plane. In the following, a substrate having a sapphire a-plane as a main surface (crystal growth surface) is also referred to as an a-plane sapphire substrate. Here, the Miller index {} indicates a representative value of an equivalent surface.

図2は、本発明により基板10上に成長された酸化亜鉛系半導体結晶層(以下、ZnO系半導体層又はZnO系結晶層という。)を有するZnO系結晶成長層付き基板15の構造を模式的に示す断面図である。より詳細には、MOCVD法を用いて第1のZnO層11Aと、第2のZnO層11Bと、ZnO系半導体層12とをサファイア基板上に成長した。なお、以下においては、ZnO系半導体層12として、MgZn(1−x)O(0.1≦x≦0.68)を成長する場合を例に説明する。 FIG. 2 schematically shows the structure of a substrate 15 with a ZnO-based crystal growth layer having a zinc oxide-based semiconductor crystal layer (hereinafter referred to as a ZnO-based semiconductor layer or a ZnO-based crystal layer) grown on the substrate 10 according to the present invention. FIG. More specifically, the first ZnO layer 11A, the second ZnO layer 11B, and the ZnO-based semiconductor layer 12 were grown on the sapphire substrate using the MOCVD method. In the following, a case where Mg x Zn (1-x) 2 O (0.1 ≦ x ≦ 0.68) is grown as the ZnO-based semiconductor layer 12 will be described as an example.

なお、以下において、ZnO系半導体はZnOベースの他の化合物結晶であってもよい。例えば、Zn(亜鉛)の一部がカルシウム(Ca)で置き換えられたZnO系化合物結晶であってもよい。あるいは、O(酸素)の一部がセレン(Se)、硫黄(S)やテルル(Te)などで置き換えられたZnO系化合物結晶であってもよい。   In the following, the ZnO-based semiconductor may be another compound crystal based on ZnO. For example, a ZnO-based compound crystal in which a part of Zn (zinc) is replaced with calcium (Ca) may be used. Alternatively, a ZnO-based compound crystal in which part of O (oxygen) is replaced with selenium (Se), sulfur (S), tellurium (Te), or the like may be used.

図3は、MOCVD法による結晶成長に用いられた結晶成長シーケンスを示している。まず、MOCVD装置内のサセプタ119にa面サファイア基板10をセットし、反応容器圧力を10kPa(キロパスカル)に調整した(時間T=T1)。また、回転機構によりサファイア基板10を10rpmの回転数で回転した。   FIG. 3 shows a crystal growth sequence used for crystal growth by the MOCVD method. First, the a-plane sapphire substrate 10 was set on the susceptor 119 in the MOCVD apparatus, and the reaction vessel pressure was adjusted to 10 kPa (kilopascal) (time T = T1). Further, the sapphire substrate 10 was rotated at a rotation speed of 10 rpm by a rotation mechanism.

次に、第1RUNライン128R及び第2RUNライン129Rからそれぞれ窒素(N)ガスを2000cc/min(合計4000cc/min)の流量でシャワーヘッド130に送気し、サファイア基板10に吹付けた。 Next, nitrogen (N 2 ) gas was supplied from the first RUN line 128R and the second RUN line 129R to the shower head 130 at a flow rate of 2000 cc / min (total 4000 cc / min) and sprayed onto the sapphire substrate 10.

なお、第1RUNライン128R及び第2RUNライン129Rからシャワーヘッド130に供給するガス流量は、常に一定流量に保った。すなわち、有機金属材料ガス及び気体材料を供給する際には、有機金属材料ガス及び気体材料の流量分だけ第1RUNライン128R及び第2RUNライン129Rに設けた流量調整装置120C、120Bの流量を増減し、シャワーヘッド130に供給するガス流量を一定に保った。   The gas flow rate supplied from the first RUN line 128R and the second RUN line 129R to the shower head 130 was always kept constant. That is, when supplying the organometallic material gas and the gaseous material, the flow rates of the flow control devices 120C and 120B provided in the first RUN line 128R and the second RUN line 129R are increased or decreased by the flow rate of the organometallic material gas and the gaseous material. The gas flow rate supplied to the shower head 130 was kept constant.

次に、酸素源としてHO(水蒸気)を640μmol/minの流量でシャワーヘッドから基板10への供給を開始した(T=T2)。次に、ヒーターで基板10を室温(RT)から900℃まで昇温し、サファイア基板10の熱処理を10分間行った(T=T3〜T4)。これ以降、成長終了までHO(水蒸気)を同じ流量で流し続けた。なお、これ以降、HO(水蒸気)は成長終了まで同じ流量で流し続けた。 Next, supply of H 2 O (water vapor) as an oxygen source from the shower head to the substrate 10 at a flow rate of 640 μmol / min was started (T = T2). Next, the substrate 10 was heated from room temperature (RT) to 900 ° C. with a heater, and the sapphire substrate 10 was heat-treated for 10 minutes (T = T3 to T4). Thereafter, H 2 O (water vapor) was kept flowing at the same flow rate until the growth was completed. Thereafter, H 2 O (water vapor) continued to flow at the same flow rate until the end of growth.

基板10の熱処理後、基板温度を300℃(第1の低成長温度)まで降下し、亜鉛原料としてDMZn(ジメチル亜鉛)を3μmol/minの流量で基板10に5分間供給した(T=T5〜T6:第1のZnO層11Aの成長期間、図3の期間G1A)。   After the heat treatment of the substrate 10, the substrate temperature was lowered to 300 ° C. (first low growth temperature), and DMZn (dimethylzinc) as a zinc raw material was supplied to the substrate 10 at a flow rate of 3 μmol / min for 5 minutes (T = T5− T6: Growth period of the first ZnO layer 11A, period G1A in FIG.

このように、減圧成長条件(成長圧力Pg=10kPa)において成長温度(Tg)を300℃とし、成長速度が5nm/minで、層厚が25nmのZnO層(第1の低温成長単結晶層、以下、単に第1の単結晶層ともいう。)11Aを成長した。   Thus, a ZnO layer (first low-temperature grown single crystal layer, which has a growth temperature (Tg) of 300 ° C. under a reduced pressure growth condition (growth pressure Pg = 10 kPa), a growth rate of 5 nm / min, and a layer thickness of 25 nm. Hereinafter, it is also simply referred to as a first single crystal layer.) 11A was grown.

なお、本明細書において、一般的にZnO単結晶を成長するのに適した結晶成長温度を「高成長温度」といい、当該温度よりも低い温度を「低成長温度」という。   In the present specification, a crystal growth temperature suitable for growing a ZnO single crystal is generally referred to as a “high growth temperature”, and a temperature lower than the temperature is referred to as a “low growth temperature”.

ZnO層11Aの成長後、基板温度を1000℃まで昇温し、20分間の熱処理(アニール)を行った(T=T7〜T8)。この熱処理により、ZnO層11Aの結晶性および平坦性は更に向上した。   After the growth of the ZnO layer 11A, the substrate temperature was raised to 1000 ° C., and heat treatment (annealing) for 20 minutes was performed (T = T7 to T8). This heat treatment further improved the crystallinity and flatness of the ZnO layer 11A.

第1のZnO層(第1の低温成長単結晶層)11Aの熱処理(アニール)が終了した後、第1のZnO層11Aの場合よりも高い温度かつ高い圧力で第2のZnO層11Bを成長した。より具体的には、基板温度を熱処理温度(1000℃)から、3分間で第1の低成長温度よりも高い600℃(第2の低成長温度)まで降下させた。また、反応容器圧力を10kPa(低成長圧力)から80kPa(高成長圧力)まで昇圧した。そして、1分間待機して基板温度が安定した後、DMZnを10μmol/minの流量でシャワーヘッドからZnO層11A上に供給した(T=T9〜T10:第2のZnO層11Bの成長期間、図3の期間G1B)。DMZnを約2.5分間供給し、成長速度が16nm/minで、層厚が40nmの第2のZnO層(第2の低温成長単結晶層、以下、単に第2の単結晶層ともいう。)11Bを形成した。なお、このときの水蒸気流量と有機金属(DMZn)の流量比(FH2O/FMO比)、いわゆるVI/II比は64である。 After the heat treatment (annealing) of the first ZnO layer (first low-temperature grown single crystal layer) 11A is completed, the second ZnO layer 11B is grown at a higher temperature and higher pressure than in the case of the first ZnO layer 11A. did. More specifically, the substrate temperature was lowered from the heat treatment temperature (1000 ° C.) to 600 ° C. (second low growth temperature) higher than the first low growth temperature in 3 minutes. The reaction vessel pressure was increased from 10 kPa (low growth pressure) to 80 kPa (high growth pressure). Then, after waiting for 1 minute and the substrate temperature was stabilized, DMZn was supplied onto the ZnO layer 11A from the shower head at a flow rate of 10 μmol / min (T = T9 to T10: growth period of the second ZnO layer 11B, FIG. 3 period G1B). DMZn was supplied for about 2.5 minutes, the growth rate was 16 nm / min, and the thickness of the second ZnO layer (the second low-temperature grown single crystal layer, hereinafter simply referred to as the second single crystal layer) was 40 nm. ) 11B was formed. The flow rate ratio (F H2O / F MO ratio) of water vapor flow rate and organometallic this time (DMZn), so-called VI / II ratio is 64.

第2のZnO層(第2の低温成長単結晶層)11Bの成長が終了した後、第2のZnO層11Bの場合よりも高い温度(高成長温度)でZnO系半導体層12を成長した。より具体的には、反応容器圧力は80kPaを維持しつつ、基板温度を600℃(第2の低成長温度)から800℃(高成長温度)まで昇温した。そして、1分間待機して基板温度が安定した後、DMZnを10μmol/minの流量でシャワーヘッドからZnO層11B上に供給した(T=T11〜T12:ZnO系半導体層12の成長期間、図3の期間G2)。基板10にDMZnを約30分間供給し、成長速度が17nm/minで、層厚が0.5μmのZnO系半導体層(ZnO単結晶層)12を形成した。なお、このときの水蒸気流量と有機金属(DMZn)の流量比(FH2O/FMO比)、いわゆるVI/II比は64である。 After the growth of the second ZnO layer (second low-temperature grown single crystal layer) 11B was completed, the ZnO-based semiconductor layer 12 was grown at a temperature (high growth temperature) higher than that of the second ZnO layer 11B. More specifically, the substrate temperature was raised from 600 ° C. (second low growth temperature) to 800 ° C. (high growth temperature) while maintaining the reaction vessel pressure at 80 kPa. Then, after waiting for 1 minute and the substrate temperature was stabilized, DMZn was supplied onto the ZnO layer 11B from the shower head at a flow rate of 10 μmol / min (T = T11 to T12: growth period of the ZnO-based semiconductor layer 12, FIG. Period G2). DMZn was supplied to the substrate 10 for about 30 minutes, and a ZnO-based semiconductor layer (ZnO single crystal layer) 12 having a growth rate of 17 nm / min and a layer thickness of 0.5 μm was formed. The flow rate ratio (F H2O / F MO ratio) of water vapor flow rate and organometallic this time (DMZn), so-called VI / II ratio is 64.

なお、ZnO系半導体層12の成長前の、基板温度が安定するまでの待機時間を第2のZnO層11Bの熱処理と兼用することもできる。   Note that the waiting time until the substrate temperature is stabilized before the growth of the ZnO-based semiconductor layer 12 can also be used as the heat treatment of the second ZnO layer 11B.

なお、本実施例においては、ZnO系半導体層12としてZnOを成長する場合を例に説明するが、これに限らない。例えば、DMZnに加えて、同様に酸素原子を含まない有機金属化合物であるCp2Mg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)を用いることにより三元結晶であるMgZn(1−x)O結晶を成長することができる。 In this embodiment, the case where ZnO is grown as the ZnO-based semiconductor layer 12 will be described as an example, but the present invention is not limited to this. For example, in addition to DMZn, a Mg x Zn (1-x) O crystal that is a ternary crystal is grown by using Cp2Mg (biscyclopentadienylmagnesium) that is an organometallic compound that does not contain an oxygen atom. be able to.

ZnO系半導体層12の成長が終了した後、基板温度が300℃になるまで水蒸気を流したまま圧力80kPaを維持した。基板温度が300℃以下になったら、水蒸気を止め(T=T13)、基板温度が室温になるまで待ち、反応容器から取出した。   After the growth of the ZnO-based semiconductor layer 12 was completed, the pressure of 80 kPa was maintained while flowing water vapor until the substrate temperature reached 300 ° C. When the substrate temperature became 300 ° C. or lower, the water vapor was stopped (T = T13), and the substrate was waited until the substrate temperature reached room temperature, and then taken out from the reaction vessel.

以上、説明したように、基板上に第1のZnO層(第1の単結晶層)11A、第2のZnO層(第2の単結晶層)11B及びZnO系半導体層(第3の単結晶層)12が成長されたZnO系結晶成長層付き基板15(以下、単に、成長層付き基板15ともいう。)の製造を行った。   As described above, the first ZnO layer (first single crystal layer) 11A, the second ZnO layer (second single crystal layer) 11B, and the ZnO-based semiconductor layer (third single crystal) are formed on the substrate. A substrate 15 with a ZnO-based crystal growth layer on which the (layer) 12 was grown (hereinafter, also simply referred to as a substrate 15 with a growth layer) was manufactured.

図4は、本発明の実施例2である半導体発光素子(LED)ウエハ25の構造を模式的に示す断面図である。また、図5は、LEDウエハ(以下、LEDデバイス層付き基板ともいう。)25の結晶成長に用いられた結晶成長シーケンスを示している。   FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a semiconductor light emitting device (LED) wafer 25 that is Embodiment 2 of the present invention. FIG. 5 shows a crystal growth sequence used for crystal growth of an LED wafer (hereinafter also referred to as a substrate with an LED device layer) 25.

より詳細には、上記実施例1のZnO系結晶成長層付き基板15の成長と同様の方法によって第1のZnO層(第1の単結晶層)11A、第2のZnO層(第2の単結晶層)11B及びZnO系半導体層12を形成し、さらに、第1のn型ZnO系半導体層21、第2のn型ZnO系半導体層22、ZnO系半導体発光層23及びp型ZnO系半導体層24からなる発光デバイス層(以下、LEDデバイス層ともいう。)20を形成した。なお、第1のZnO層11A、第2のZnO層11B及びZnO系半導体層12はアンドープの半導体層である。   More specifically, the first ZnO layer (first single crystal layer) 11A and the second ZnO layer (second single crystal layer) are formed by the same method as the growth of the substrate 15 with the ZnO-based crystal growth layer of Example 1 above. A crystal layer) 11B and a ZnO-based semiconductor layer 12, and further, a first n-type ZnO-based semiconductor layer 21, a second n-type ZnO-based semiconductor layer 22, a ZnO-based semiconductor light-emitting layer 23, and a p-type ZnO-based semiconductor. A light emitting device layer (hereinafter also referred to as an LED device layer) 20 composed of the layer 24 was formed. The first ZnO layer 11A, the second ZnO layer 11B, and the ZnO-based semiconductor layer 12 are undoped semiconductor layers.

ここで、本明細書において、デバイス層とは、半導体素子がその機能を果たすために含まれるべき半導体で構成される層を指す。例えば、単純なトランジスタであればn型半導体層及びp型半導体層及びこれらのpn接合によって構成される構造層を含む。また、n型半導体層、発光層及びp型半導体層から構成され、注入されたキャリアの再結合によって発光動作をなす半導体構造層を、特に、発光デバイス層という。   Here, in this specification, the device layer refers to a layer composed of a semiconductor to be included for the semiconductor element to perform its function. For example, a simple transistor includes an n-type semiconductor layer, a p-type semiconductor layer, and a structural layer constituted by these pn junctions. A semiconductor structure layer that includes an n-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type semiconductor layer and emits light by recombination of injected carriers is particularly referred to as a light-emitting device layer.

図5に示すように、ZnO系半導体層12の成長が終わった後、n型ZnO系半導体層21を成長した。より具体的には、成長温度800℃、成長圧力80kPaを維持し、また、HO(水蒸気)流量を640μmol/minに保った状態で、DMZn流量を10μmol/minから30μmol/minに増加し、同時にn型不純物材料としてTEGaを成長層付き基板15に供給した(T=T12)。これにより、40分間の成長時間(T=T12〜T21:図5の期間D1)で層厚2μm、Ga濃度が1×1018cm−3のGaドープZnO単結晶半導体層である第1のn型ZnO系半導体層21をZnO系半導体層12上に成長した(T=T21)。 As shown in FIG. 5, after the growth of the ZnO-based semiconductor layer 12 was finished, the n-type ZnO-based semiconductor layer 21 was grown. More specifically, the DMZn flow rate was increased from 10 μmol / min to 30 μmol / min while maintaining a growth temperature of 800 ° C., a growth pressure of 80 kPa, and a H 2 O (water vapor) flow rate of 640 μmol / min. At the same time, TEGa as an n-type impurity material was supplied to the substrate 15 with a growth layer (T = T12). Thus, the first n which is a Ga-doped ZnO single crystal semiconductor layer having a layer thickness of 2 μm and a Ga concentration of 1 × 10 18 cm −3 in a growth time of 40 minutes (T = T12 to T21: period D1 in FIG. 5). A type ZnO-based semiconductor layer 21 was grown on the ZnO-based semiconductor layer 12 (T = T21).

次に、基板温度800℃において、圧力を10kPaまで減圧した。また、DMZnの流量を10μmol/min、Cp2Mgの流量を0.5μmol/minとし、同時にn型不純物材料としてTEGaを供給して、MgZnO結晶を成長した(T=T22〜T23:期間D2)。すなわち、層厚が70nm、Ga濃度が3×1017cm−3のMgZn(1−x)O(x=0.15)単結晶半導体層である第2のn型ZnO系半導体層22を成長した。 Next, the pressure was reduced to 10 kPa at a substrate temperature of 800 ° C. Further, the flow rate of DMZn was 10 μmol / min, the flow rate of Cp2Mg was 0.5 μmol / min, and TEGa was simultaneously supplied as an n-type impurity material to grow MgZnO crystals (T = T22 to T23: period D2). That is, the second n-type ZnO-based semiconductor layer 22 which is a Mg x Zn (1-x) O (x = 0.15) single crystal semiconductor layer having a layer thickness of 70 nm and a Ga concentration of 3 × 10 17 cm −3. Grew up.

次に、ZnO系半導体発光層23を成長した。具体的には、基板温度800℃を維持し、成長圧力を80kPaとし、また、DMZnの供給量を1μmol/minに減らして、層厚が30nmのZnO単結晶半導体層であるZnO系半導体発光層(ACT)23を形成した(T=T24〜T25:期間D3)。   Next, a ZnO-based semiconductor light emitting layer 23 was grown. Specifically, the substrate temperature is maintained at 800 ° C., the growth pressure is set to 80 kPa, the supply amount of DMZn is reduced to 1 μmol / min, and the ZnO-based semiconductor light emitting layer which is a ZnO single crystal semiconductor layer having a layer thickness of 30 nm. (ACT) 23 was formed (T = T24 to T25: period D3).

発光層23を成長した後、p型ZnO系半導体層24を成長した。具体的には、基板温度800℃を維持し、成長圧力を10kPaとし、また、DMZnの供給量を10μmol/minとし、同時にp型不純物材料としてNH(アンモニア)を流量180μmol/minで供給して、層厚が70nm、窒素不純物濃度が8×1019cm−3のMgZn(1−x)O(x=0.15)単結晶半導体層であるp型ZnO系半導体層24を成長した(T=T26〜T27:期間D4)。 After the light emitting layer 23 was grown, a p-type ZnO based semiconductor layer 24 was grown. Specifically, the substrate temperature is maintained at 800 ° C., the growth pressure is set to 10 kPa, the supply amount of DMZn is set to 10 μmol / min, and at the same time, NH 3 (ammonia) is supplied as a p-type impurity material at a flow rate of 180 μmol / min. Then, the p-type ZnO-based semiconductor layer 24 which is a Mg x Zn (1-x) O (x = 0.15) single crystal semiconductor layer having a layer thickness of 70 nm and a nitrogen impurity concentration of 8 × 10 19 cm −3 is grown. (T = T26 to T27: period D4).

p型ZnO系半導体層24の成長が終了した後、基板温度が300℃になるまで水蒸気を流したまま圧力80kPaを維持し(T=T28)、基板温度が室温になるまで待って反応容器から取出した点は上記実施例1の場合と同様である。   After the growth of the p-type ZnO-based semiconductor layer 24 is completed, the pressure of 80 kPa is maintained with water vapor flowing until the substrate temperature reaches 300 ° C. (T = T28), and the substrate temperature is increased to room temperature. The extracted points are the same as in the first embodiment.

[半導体発光素子の製造]
上記工程で製造したLEDデバイス層付き基板25を用い、以下の工程により半導体発光素子(LED)を製造した。
[Manufacture of semiconductor light emitting devices]
Using the substrate 25 with the LED device layer manufactured in the above process, a semiconductor light emitting element (LED) was manufactured by the following process.

図6は、LEDデバイス層付き基板25の上面図である。図7は、LEDデバイス層付き基板25に後述する電極形成プロセス等を行い、LEDに個片化する素子分離工程の概略を示す断面図である。また、図8(A)は、半導体発光素子(LED)30の素子上面図であり、図8(B)は、LED30の断面図である。なお、図8(B)には、2つのLED30及びこれらをブレーキングにより分離するための素子区画溝32が形成されていることが図示されている。   FIG. 6 is a top view of the substrate 25 with an LED device layer. FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating an outline of an element separation process for performing an electrode formation process, which will be described later, on the substrate 25 with an LED device layer and separating the LED into individual pieces. FIG. 8A is an element top view of the semiconductor light emitting element (LED) 30, and FIG. 8B is a cross-sectional view of the LED 30. FIG. 8B shows that two LEDs 30 and an element partitioning groove 32 for separating them by braking are formed.

まず、フォトリソグラフィ技術を用いて、素子区画31内の領域(素子領域)を覆う形状のレジストマスクを形成した。次に、ウェットエッチングを用いて、素子区画31外の開口部のp型ZnO系半導体層24、発光層23及びn型ZnO系半導体層22の一部を所定深さまで除去した。最後にレジストを洗浄除去し、素子区画溝32を形成した(図6及び図7のstep2)。なお、図6に示すように、素子区画31は、OF(オリエンテーションフラット)に対して36.3°傾斜させて形成した。また、素子区画溝31の深さは、発光層23とn型ZnO系半導体層22の界面位置より200nm深くなるように形成した。   First, using a photolithography technique, a resist mask having a shape covering the region (element region) in the element section 31 was formed. Next, using wet etching, the p-type ZnO-based semiconductor layer 24, the light-emitting layer 23, and the n-type ZnO-based semiconductor layer 22 in the opening outside the element section 31 were partially removed to a predetermined depth. Finally, the resist was removed by washing to form element partition grooves 32 (step 2 in FIGS. 6 and 7). As shown in FIG. 6, the element section 31 was formed with an inclination of 36.3 ° with respect to the OF (orientation flat). Further, the element partition groove 31 was formed so that the depth was 200 nm deeper than the interface position between the light emitting layer 23 and the n-type ZnO-based semiconductor layer 22.

次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、p側電極形状に開口した形状のレジストマスクを形成した。そして、EB(電子ビーム)蒸着によって、p側電極33としてNi(ニッケル)を0.3〜10nm、さらにAu(金)を5〜20nmの厚さで成膜した。最後にリフトオフ法にてp側電極33以外の蒸着材料を取除き、p型Zn酸化物半導体層505の表面にp側電極507を形成した。形成したp側電極33は、RTA(ラピッド・サーマル・アニーラー)にて酸素10%雰囲気下で500℃、30秒処理して透光性電極化した。   Next, a resist mask having a shape opened to a p-side electrode shape was formed using a photolithography technique. Then, EB (electron beam) deposition was used to form a p-side electrode 33 with a thickness of Ni (nickel) of 0.3 to 10 nm and Au (gold) of 5 to 20 nm. Finally, the vapor deposition material other than the p-side electrode 33 was removed by a lift-off method, and a p-side electrode 507 was formed on the surface of the p-type Zn oxide semiconductor layer 505. The formed p-side electrode 33 was treated with RTA (Rapid Thermal Annealer) in a 10% oxygen atmosphere at 500 ° C. for 30 seconds to form a translucent electrode.

次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、p側電極33の一部の領域に接するようにp側接続電極34の形状で開口したレジストマスクを形成した。そして、EB蒸着によって、Ni/Pt/Au電極パッド材料をそれぞれ10nm/100nm/1000nmの厚さでこの順に積層してp側接続電極34を形成した(図8(B))。なお、Ni/Pt/Auの表記は、p側電極34側から第1層/第2層/第3層を意味している。   Next, a resist mask opened in the shape of the p-side connection electrode 34 was formed so as to be in contact with a partial region of the p-side electrode 33 by using a photolithography technique. And by EB vapor deposition, the Ni / Pt / Au electrode pad material was laminated | stacked in this order with the thickness of 10 nm / 100 nm / 1000 nm, respectively, and the p side connection electrode 34 was formed (FIG.8 (B)). The notation of Ni / Pt / Au means the first layer / second layer / third layer from the p-side electrode 34 side.

さらに、フォトリソグラフィ技術を用いて、露出したn型ZnO系半導体層22の表面にn側接続電極35の形状で開口したレジストマスクを形成した。そして、EB蒸着によって、Ti/Auをそれぞれ10nm /1000nmの厚さで積層し、その後リフトオフ法にてマスク開口部以外の蒸着材料を除去し、n側接続電極35を形成した。   Further, a resist mask having an opening in the shape of the n-side connection electrode 35 was formed on the exposed surface of the n-type ZnO-based semiconductor layer 22 by using a photolithography technique. Then, Ti / Au was laminated at a thickness of 10 nm / 1000 nm by EB vapor deposition, and then the vapor deposition material other than the mask opening was removed by a lift-off method to form the n-side connection electrode 35.

電極形成を行った電極形成したLED動作層20側を保護基板に貼付け、それを研削盤にセットし、基板厚さが120μmとなるまで研削した。そして、研磨装置にて研削面が鏡面になるまで研磨材の番手を徐々に下げて磨き、厚さ約100μmのウエハに成形した。   The electrode-formed LED operation layer 20 side on which the electrodes were formed was attached to a protective substrate, set on a grinding machine, and ground until the substrate thickness was 120 μm. Then, the polishing material was gradually lowered and polished until the ground surface became a mirror surface by a polishing apparatus, and formed into a wafer having a thickness of about 100 μm.

次に、電極形成された表面側に保護シートを貼った後、例えば、ダイヤモンドポイントを用いたスクライブ装置により素子区画溝32の中央部に対応する裏面に互いに直交するスクライブ溝36を形成した(図7のstep2、図8(B))。   Next, after a protective sheet is pasted on the surface side on which the electrodes are formed, for example, scribe grooves 36 that are orthogonal to each other are formed on the back surface corresponding to the central portion of the element partition groove 32 by a scribe device using diamond points (see FIG. 7 step 2, FIG. 8 (B)).

後に詳述するように、ブレーキングにおいては、ナイフエッジ37をスクライブ溝36の対向面の素子区画溝32側より当て、ナイフエッジ37で荷重しスクライブ溝方向に劈開を行った。同様に、基板を90°回転させ、直交するスクライブ溝36方向にも劈開を行った。   As will be described in detail later, in braking, the knife edge 37 was applied from the element partitioning groove 32 side of the opposing surface of the scribe groove 36, loaded with the knife edge 37, and cleaved in the scribe groove direction. Similarly, the substrate was rotated 90 ° and cleaved in the direction of the scribe groove 36 perpendicular to the substrate.

このようにして半導体発光素子30を製造した(図8(A)、図8(B))。半導体発光素子30の各種サイズは、これには限定されないが、例示すれば、ダイサイズは400μm角(図6、L1=L2=400μm)、素子区画サイズは300μm角、p側電極パッドの直径はφ100μm、n側電極パッドの直径はφ100μm、厚さは約100μmである。   In this way, the semiconductor light emitting element 30 was manufactured (FIGS. 8A and 8B). Various sizes of the semiconductor light emitting element 30 are not limited to this, but for example, the die size is 400 μm square (FIG. 6, L1 = L2 = 400 μm), the element partition size is 300 μm square, and the diameter of the p-side electrode pad is φ100 μm, the diameter of the n-side electrode pad is φ100 μm, and the thickness is about 100 μm.

なお、Mgを含む結晶層(MgZn1−xO層)として組成X=0.15の場合を例に説明したが、これに限らない。半導体素子の所要特性等に応じ、各半導体層の組成(バンドギャップ)を0≦x≦0.68の範囲で選択すればよい。また、層厚、導電型及びドープ濃度(キャリア濃度)などについても、半導体発光素子の所要特性等に応じて適宜改変又は選択することができる。 Although described as an example the case of a composition X = 0.15 as a crystalline layer containing Mg (Mg x Zn 1-x O layer) it is not limited thereto. What is necessary is just to select the composition (band gap) of each semiconductor layer in the range of 0 <= x <= 0.68 according to the required characteristic etc. of a semiconductor element. Also, the layer thickness, conductivity type, dope concentration (carrier concentration), and the like can be appropriately modified or selected according to the required characteristics of the semiconductor light emitting device.

[比較例]
上記した実施例により成長した成長層付き基板15のZnO系単結晶層との比較評価のため、比較例として以下の成長方法、成長条件で結晶成長を行った。
[Comparative example]
For comparative evaluation with the ZnO-based single crystal layer of the growth layer-provided substrate 15 grown according to the above-described embodiment, crystal growth was performed as a comparative example under the following growth method and growth conditions.

図9は、比較例の結晶成長層の構造を模式的に示す断面図である。具体的には、RF−MBE(ラジカルソースMBE)装置により、a面サファイア基板100上にZnO単結晶層101及びZnO系結晶層102を形成した。   FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the crystal growth layer of the comparative example. Specifically, the ZnO single crystal layer 101 and the ZnO-based crystal layer 102 were formed on the a-plane sapphire substrate 100 by an RF-MBE (radical source MBE) apparatus.

すなわち、比較例の結晶成長に用いたRF−MBE装置は、Zn(亜鉛)、Mg(マグネシウム)、Ga(ガリウム)はクヌーセンセルで照射し、O(酸素)とp型不純物であるN(窒素)はRFラジカルガン(発生装置)で照射する構成を有している。また各クヌーセンセル、RFラジカルガンの出口には、シャッターが付いており、基板に個別に分子線を照射できる。また、基板は抵抗加熱ヒーターにて加熱する構造である。より詳細には、当該比較例の結晶成長層付き基板105は、次の手順で成長した。   That is, the RF-MBE apparatus used for the crystal growth of the comparative example irradiates Zn (zinc), Mg (magnesium), and Ga (gallium) with a Knudsen cell, and O (oxygen) and N (nitrogen) which is a p-type impurity. ) Is configured to irradiate with an RF radical gun (generator). Each Knudsen cell and the exit of the RF radical gun are provided with a shutter, which can individually irradiate the substrate with molecular beams. Further, the substrate is structured to be heated by a resistance heater. More specifically, the substrate 105 with a crystal growth layer of the comparative example was grown by the following procedure.

まず、a面サファイア基板100を、真空下、温度900℃において10分間の熱処理を行って基板表面の吸着物等を放散脱離させた。   First, the a-plane sapphire substrate 100 was subjected to a heat treatment at a temperature of 900 ° C. for 10 minutes under vacuum to dissipate and desorb adsorbed material on the substrate surface.

次に、基板温度を900℃から300℃に降温し、温度が安定したらO(酸素)ラジカルガンのシャッターを開けてOラジカルを基板に照射した。続けてZnクヌーセンセルのシャッターを開けZnビームを基板に照射し、低温(300℃)で第1のZnO層101として厚さ30nmのZnO単結晶層(緩衝層)を形成した。   Next, the substrate temperature was lowered from 900 ° C. to 300 ° C. When the temperature was stabilized, the O (oxygen) radical gun shutter was opened and the substrate was irradiated with O radicals. Subsequently, the Zn Knudsen cell shutter was opened and the substrate was irradiated with a Zn beam to form a ZnO single crystal layer (buffer layer) having a thickness of 30 nm as the first ZnO layer 101 at a low temperature (300 ° C.).

次に、第1のZnO層101の熱処理を行った。より詳細には、基板にOラジカルを照射しながら、基板温度を300℃から800℃まで昇温し、5分間の熱処理を行い、低温300℃で形成したZnO単結晶層(第1のZnO層101)の結晶性の回復を行った。   Next, heat treatment of the first ZnO layer 101 was performed. More specifically, while the substrate is irradiated with O radicals, the substrate temperature is raised from 300 ° C. to 800 ° C., heat treatment is performed for 5 minutes, and a ZnO single crystal layer (first ZnO layer) formed at a low temperature of 300 ° C. 101) was recovered.

第1のZnO層101の熱処理後、再び基板温度を800℃から700℃に降温した。基板温度が安定したら、Znのクヌーセンセルのシャッターを開け、第1のZnO層101上にZnビームを照射し、第2のZnO層として厚さ1μmのZnO単結晶層を形成した。 以上、説明した工程により、比較例のZnO結晶層付き基板105を形成した。   After the heat treatment of the first ZnO layer 101, the substrate temperature was lowered again from 800 ° C. to 700 ° C. When the substrate temperature was stabilized, the Zn Knudsen cell shutter was opened, and the first ZnO layer 101 was irradiated with a Zn beam to form a ZnO single crystal layer having a thickness of 1 μm as the second ZnO layer. As described above, the substrate 105 with the ZnO crystal layer of the comparative example was formed by the steps described above.

1.成長層付き基板15の結晶成長層の評価結果
1.1 成長層付き基板15の結晶成長層の評価
以下に、上記した成長層付き基板15及び比較例の結晶成長層の評価結果及び物性等について図を参照して詳細に説明する。また、上記した結晶成長層については、以下の方法により評価・分析を行った。
1. Evaluation Results of Crystal Growth Layer of Substrate 15 with Growth Layer 1.1 Evaluation of Crystal Growth Layer of Substrate 15 with Growth Layer Hereinafter, evaluation results and physical properties of the substrate 15 with growth layer and the crystal growth layer of the comparative example will be described below. This will be described in detail with reference to the drawings. Further, the crystal growth layer described above was evaluated and analyzed by the following method.

表面モフォロジは、微分偏光顕微鏡、SEM(Scanning Electron Microscope)及びAFM(Atomic Force Microscope)により評価を行った。結晶配向性及び平坦性は、RHEED(reflection high-energy electron diffraction)により評価を行った。また、結晶配向性及び欠陥・転位密度については、X線回折(XRD:X-Ray Diffractometer)で評価した。結晶中の不純物濃度については、二次イオン質量分析(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により評価した。   The surface morphology was evaluated by a differential polarization microscope, SEM (Scanning Electron Microscope) and AFM (Atomic Force Microscope). Crystal orientation and flatness were evaluated by RHEED (reflection high-energy electron diffraction). The crystal orientation and the defect / dislocation density were evaluated by X-ray diffraction (XRD). The impurity concentration in the crystal was evaluated by secondary ion mass spectrometry (SIMS).

図10は、成長層付き基板15の結晶成長層(以下、<EMB1>とも表記する。)のSIMS分析結果である。すなわち、Al(アルミニウム)及びSi(シリコン)の深さ方向の濃度プロファイルを示している。なお、図中、LM(Al)はAlの検出下限界を示している。   FIG. 10 shows SIMS analysis results of the crystal growth layer (hereinafter also referred to as <EMB1>) of the substrate 15 with the growth layer. That is, concentration profiles in the depth direction of Al (aluminum) and Si (silicon) are shown. In the figure, LM (Al) indicates the lower limit of detection of Al.

図10に示すように、Al(アルミニウム)の濃度は、サファイア基板とZnO結晶成長層(図中、「ZnO epi」と表記)の界面(X)から成長方向に向かって減少している。なお、サファイア基板(図中、「Sub」と表記)とZnO結晶成長層の界面(X)は、Znイオン強度が急峻に低下する位置として同定した。また、SIMS測定の上限値は、1×1021(個/cm)である。なお、図中、1E+nは指数表記であり、例えば、1E17又は1E+17は1×1017を表している。 As shown in FIG. 10, the concentration of Al (aluminum) decreases from the interface (X) between the sapphire substrate and the ZnO crystal growth layer (indicated as “ZnO epi” in the figure) in the growth direction. The interface (X) between the sapphire substrate (denoted as “Sub” in the figure) and the ZnO crystal growth layer was identified as a position where the Zn ion intensity sharply decreased. Moreover, the upper limit of SIMS measurement is 1 × 10 21 (pieces / cm 3 ). In the figure, 1E + n is an exponential notation, and for example, 1E17 or 1E + 17 represents 1 × 10 17 .

すなわち、基板であるサファイアの構成元素であるAlは、界面(X)において完全に急峻に(ステップ状に)減少しているのではなく、ZnO結晶成長層中に拡散していることがわかった。より詳細には、AlのZnO成長層への拡散によって、ZnO成長層には、界面(X)近傍においてAlが固溶状態で存在する固溶層(図中、区間A)が形成されるとともに、Alが高濃度に拡散した高濃度拡散層(区間B)が形成されることがわかった。以下に、より詳細に説明する。   That is, it was found that Al, which is a constituent element of sapphire, which is a substrate, does not decrease completely steeply (stepwise) at the interface (X) but diffuses into the ZnO crystal growth layer. . More specifically, due to diffusion of Al into the ZnO growth layer, a solid solution layer (section A in the figure) in which Al exists in the solid solution state in the vicinity of the interface (X) is formed in the ZnO growth layer. It was found that a high concentration diffusion layer (section B) in which Al was diffused at a high concentration was formed. This will be described in more detail below.

図11は、図10のAl濃度及びZnイオン強度の界面(X)付近におけるプロファイルを拡大して示す図である。なお、横軸は成長層厚を示しており、界面(X)においてはゼロである。ZnO成長層中のAl濃度が、一定値(上限濃度CC;図中、点P1)以上においては、Alが固溶状態で結晶中に存在する固溶状態であるということができる。一般に、Alがn型不純物として作用する上限濃度(CC)は8×1020個/cmであるとされており、これ以上のAl濃度の領域が固溶状態領域であるといえる。すなわち、図10から、界面(X)から点P1までの領域がAl固溶層(区間A)であり、当該上限濃度(CC)を8×1020個/cmとしたとき、固溶層(区間A)の厚さは、20nmである。前述したように固溶層のAl濃度はn型不純物としての上限値を超えている。よって、n型層の不純物濃度がいかなる値でも抵抗値は固溶層の方が小さく、電流がn型層に到達する前に固溶層によって拡がる効果が期待できる。 FIG. 11 is an enlarged view of the profile in the vicinity of the interface (X) between the Al concentration and the Zn ion intensity in FIG. The horizontal axis indicates the growth layer thickness and is zero at the interface (X). When the Al concentration in the ZnO growth layer is equal to or higher than a certain value (upper limit CC; point P1 in the figure), it can be said that Al is in a solid solution state in the crystal. Generally, the upper limit concentration (CC) at which Al acts as an n-type impurity is 8 × 10 20 / cm 3 , and it can be said that a region with an Al concentration higher than this is a solid solution state region. That is, from FIG. 10, the region from the interface (X) to the point P1 is an Al solid solution layer (section A), and when the upper limit concentration (CC) is 8 × 10 20 pieces / cm 3 , the solid solution layer The thickness of (Section A) is 20 nm. As described above, the Al concentration of the solid solution layer exceeds the upper limit value as an n-type impurity. Therefore, the resistance value is smaller in the solid solution layer regardless of the impurity concentration of the n-type layer, and the effect of spreading by the solid solution layer before the current reaches the n-type layer can be expected.

なお、n型不純物として作用する上限濃度(CC)については、例えば、「ZnO薄膜の低温成長」、秋葉敦也、平成18年度、博士前期課程、電気電子工学専攻、三重大学大学院工学研究科、H19年2月6日、第6頁(http://hdl.handle.net/10076/9109参照)、に記載されている。   Regarding the upper limit concentration (CC) acting as an n-type impurity, for example, “Low-temperature growth of ZnO thin film”, Shinya Akiba, 2006, Master's course, Department of Electrical and Electronic Engineering, Graduate School of Engineering, Mie University, H19 February 6, 2000, page 6 (see http://hdl.handle.net/10076/9109).

また、図11に示すように、Alの濃度は、界面から成長方向に向かって急激な濃度傾斜で減少する領域(R1)と、緩やかな濃度傾斜で減少する領域(R2)とからなっている。これらの領域R1及びR2における濃度変化の接線の交点をQとすると、界面(X)からQ点までの領域が固溶状態の層から拡散状態の層(拡散層)への遷移層である高濃度拡散層(固溶拡散層ともいう。)(区間B)であり、高濃度拡散層(区間B)の厚さは、70nmである。なお、上記した方法で求めた交点Qの層厚におけるAl濃度(点P1)は、1×1019個/cmであった。従って、Al濃度が1×1019個/cm以上(8×1020個/cm未満)の領域を高濃度拡散層(区間B)と規定した。 Further, as shown in FIG. 11, the Al concentration is composed of a region (R1) that decreases with a steep concentration gradient from the interface toward the growth direction and a region (R2) that decreases with a gradual concentration gradient. . If the intersection of the tangents of concentration change in these regions R1 and R2 is Q, the region from the interface (X) to the point Q is a transition layer from a solid solution layer to a diffusion layer (diffusion layer). It is a concentration diffusion layer (also referred to as a solid solution diffusion layer) (section B), and the thickness of the high concentration diffusion layer (section B) is 70 nm. The Al concentration (point P1) in the layer thickness at the intersection Q determined by the above method was 1 × 10 19 pieces / cm 3 . Therefore, a region having an Al concentration of 1 × 10 19 pieces / cm 3 or more (less than 8 × 10 20 pieces / cm 3 ) was defined as a high concentration diffusion layer (section B).

以上、説明したように、本発明によれば、サファイア基板からZnO成長層にかけてAl組成が連続的に変化した層が形成され、また、Al固溶層(区間A)及び高濃度拡散層(区間B)が形成される。   As described above, according to the present invention, a layer in which the Al composition is continuously changed from the sapphire substrate to the ZnO growth layer is formed, and the Al solid solution layer (section A) and the high-concentration diffusion layer (section) are formed. B) is formed.

また、Al濃度が1×1019個/cm未満で4×1017個/cm以上のAl拡散層を区間C(厚さ220nm)、Al濃度が4×1017個/cm未満のAl低濃度拡散層を区間D(厚さ600nm)と定義する。しかしながら、後述するように、デバイス層を形成する場合などには、Al濃度が1×1019個/cm未満となった(固溶層(区間A)及び高濃度拡散層(区間B)が形成された)以降においてドープを行って、導電型制御を行ってもよい。すなわち、Al拡散層(区間C)又はAl低濃度拡散層(区間D)の形成途中においてドーパントを添加し、例えばn型ZnO系結晶層が形成されるようにすることができる。 Further, an Al diffusion layer having an Al concentration of less than 1 × 10 19 pieces / cm 3 and 4 × 10 17 pieces / cm 3 or more is defined as section C (thickness 220 nm), and the Al concentration is less than 4 × 10 17 pieces / cm 3 . The Al low concentration diffusion layer is defined as section D (thickness 600 nm). However, as will be described later, when the device layer is formed, the Al concentration is less than 1 × 10 19 / cm 3 (the solid solution layer (section A) and the high concentration diffusion layer (section B) After the formation), doping may be performed to control the conductivity type. That is, a dopant can be added during the formation of the Al diffusion layer (section C) or the Al low-concentration diffusion layer (section D) to form, for example, an n-type ZnO-based crystal layer.

すなわち、基板との界面に基板のアルミニウム(Al)が8×1020個/cm以上の濃度で固溶した固溶層(区間A)、及び基板から拡散したAlの濃度が1×1019cm以上である高濃度拡散層(区間B)、Al拡散層(区間C)及びAl低濃度拡散層(区間D)からなり、基板のAlが固溶・拡散したZnO系結晶層が形成される。 That is, the solid solution layer (section A) in which aluminum (Al) of the substrate is dissolved at a concentration of 8 × 10 20 pieces / cm 3 or more at the interface with the substrate, and the concentration of Al diffused from the substrate is 1 × 10 19. A ZnO-based crystal layer consisting of a high-concentration diffusion layer (section B), an Al diffusion layer (section C), and an Al low-concentration diffusion layer (section D) having a size of cm 3 or more is formed. The

また、図10に示すように、高濃度拡散層(区間B)上の拡散層(図中、Q点以降の成長層)においては、Al濃度は更に減少し、ZnO単結晶層の層厚が1μm付近において3.0×1015個/cmまで減少する。サファイアからのAl濃度は欠陥密度と比例関係であるため1μm以上では同様に欠陥密度も十分に低下しているものとみなせる。そのため、1μm以上に成長されたZnO層は欠陥密度が十分に低下しており、製造の際に問題とはならない。なお、n型ZnO系半導体層、発光層、p型ZnO系半導体層を形成する場合、ZnO単結晶層とn型ZnO系半導体層を含めて1μm以上であればよい。Alは、n型ドーパントとしても作用するため、n型ZnO系半導体層に含まれていても問題はなく、1μm以上の欠陥密度が十分に低下した領域が存在し、かつ発光層、p型ZnO系半導体層へのAl拡散は問題にならない濃度となっている。すなわち、例えば、導電型制御のために不純物をドープしたn型ZnO系半導体層、発光層、p型ZnO系半導体層を形成するLEDのような半導体発光素子を製造する場合にもサファイア基板からのAl拡散は問題とはならない。 Further, as shown in FIG. 10, in the diffusion layer (growth layer after the Q point in the figure) on the high concentration diffusion layer (section B), the Al concentration is further decreased, and the thickness of the ZnO single crystal layer is increased. It decreases to 3.0 × 10 15 pieces / cm 3 in the vicinity of 1 μm. Since the Al concentration from sapphire is proportional to the defect density, it can be considered that the defect density is also sufficiently reduced at 1 μm or more. Therefore, the ZnO layer grown to 1 μm or more has a sufficiently low defect density and does not cause a problem during manufacture. Note that when an n-type ZnO-based semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type ZnO-based semiconductor layer are formed, the thickness may be 1 μm or more including the ZnO single crystal layer and the n-type ZnO-based semiconductor layer. Since Al also acts as an n-type dopant, there is no problem even if it is contained in the n-type ZnO-based semiconductor layer, and there is a region where the defect density of 1 μm or more is sufficiently reduced, and the light-emitting layer, p-type ZnO Al diffusion into the system semiconductor layer has a concentration that does not cause a problem. That is, for example, when manufacturing a semiconductor light emitting device such as an LED that forms an n-type ZnO-based semiconductor layer doped with impurities for controlling the conductivity type, a light-emitting layer, and a p-type ZnO-based semiconductor layer, Al diffusion is not a problem.

他方、図12は、比較例のサンプルのSIMS分析結果である。より詳細には、RF−MBE法により形成した、a面サファイア基板上のZnO系結晶成長層(以下、<CMP>とも表記する。)のSIMS分析結果を示している。すなわち、Al(アルミニウム)及びSi(シリコン)の深さ方向の濃度プロファイルを示している。RF−MBE法により形成した場合では、サファイア基板及びZnO成長層間には急峻な界面が形成され、Alは成長層中に拡散せず、固溶層は形成されないことがわかった。   On the other hand, FIG. 12 shows the SIMS analysis result of the sample of the comparative example. More specifically, SIMS analysis results of a ZnO-based crystal growth layer (hereinafter also referred to as <CMP>) formed on the a-plane sapphire substrate formed by the RF-MBE method are shown. That is, concentration profiles in the depth direction of Al (aluminum) and Si (silicon) are shown. When formed by the RF-MBE method, it was found that a steep interface was formed between the sapphire substrate and the ZnO growth layer, Al did not diffuse into the growth layer, and no solid solution layer was formed.

本発明において、さらに注目すべき点は、サファイア基板とZnO層と界面にAl固溶層が形成されているにも関わらず、表面モフォロジが良好なことである。 図13、図14は、それぞれ成長層付き基板15の成長層表面の微分顕微鏡像及びSEM像を示している。このように、微分顕微鏡及びSEMの観察結果から広域領域から微小領域に至るまで(巨視的及び微視的にも)高い平坦性を有していることが確認された。   In the present invention, it should be further noted that the surface morphology is good even though the Al solid solution layer is formed at the interface between the sapphire substrate and the ZnO layer. 13 and 14 show a differential microscope image and an SEM image of the growth layer surface of the growth layer-attached substrate 15, respectively. Thus, it was confirmed from the observation result of the differential microscope and SEM that it has high flatness from a wide area to a micro area (also macroscopically and microscopically).

また、成長層への欠陥や転位の導入が減少される点にある。図15(A),(B)は、ZnO層12の層厚(t)が1μmの場合について、また図16(A),(B)は、層厚(t)が3μmの場合のXRD(002)ωロッキングカーブ、及び(100)ωロッキングカーブを示している。また、これらの測定結果の比較表を以下に示す。   In addition, the introduction of defects and dislocations into the growth layer is reduced. 15A and 15B show the case where the layer thickness (t) of the ZnO layer 12 is 1 μm, and FIGS. 16A and 16B show the XRD when the layer thickness (t) is 3 μm. 002) ω rocking curve and (100) ω rocking curve. A comparison table of these measurement results is shown below.

例えば、(002)ωロッキングカーブの半値幅(FWHM:full width at half maximum)は、層厚t=1μmで274arcsecであるが、t=3μmでは144arcsecと向上している。また、(100)ωロッキングカーブのFWHMも631arcsec(t=1μm)から270arcsec(t=3μm)と成長層厚が大きくなるに従い改善していることがわかった。サファイア基板のc軸方向<0001> とZnO成長層のa軸方向<11−20>との格子ミスマッチは0.07%であり、サファイア基板のm軸方向<10−10> と ZnO成長層のm軸方向<10−10>との格子ミスマッチは2.46%であるが、上記したように、これらの測定結果から格子ミスマッチが緩和されて成長していることがわかった。また、表面モフォロジも鏡面であり、良好であった。   For example, the full width at half maximum (FWHM) of the (002) ω rocking curve is 274 arcsec at a layer thickness t = 1 μm, but is improved to 144 arcsec at t = 3 μm. It was also found that the FWHM of the (100) ω rocking curve improved from 631 arcsec (t = 1 μm) to 270 arcsec (t = 3 μm) as the growth layer thickness increased. The lattice mismatch between the c-axis direction <0001> of the sapphire substrate and the a-axis direction <11-20> of the ZnO growth layer is 0.07%, and the m-axis direction <10-10> of the sapphire substrate and the ZnO growth layer Although the lattice mismatch with the m-axis direction <10-10> is 2.46%, as described above, it was found from these measurement results that the lattice mismatch was relaxed and grew. Also, the surface morphology was good with a mirror surface.

ところで、従来のGaN、GaAs等の半導体結晶においては、ZnやMg等の不純物が1×1020cm−3程度以上混入すると結晶配列が乱れ始め、欠陥や転位密度が高くなる。さらに5×1020cm−3程度以上加えると表面モフォロジが悪化する、または多結晶化する。このように不純物元素が成長層に高濃度に拡散した場合、非酸素系の化合物半導体結晶は劣化することが知られている。本発明においては、上記したように、表面モフォロジ、格子整合も良好であり、欠陥や転位の低減など、高品質な結晶性を有する成長層を形成できることがわかった。 By the way, in conventional semiconductor crystals such as GaN and GaAs, when impurities such as Zn and Mg are mixed in about 1 × 10 20 cm −3 or more, the crystal arrangement starts to be disturbed, and defects and dislocation density increase. Furthermore, when about 5 × 10 20 cm −3 or more is added, the surface morphology is deteriorated or polycrystallized. As described above, it is known that the non-oxygen-based compound semiconductor crystal deteriorates when the impurity element diffuses in the growth layer at a high concentration. In the present invention, as described above, it was found that the surface morphology and lattice matching are good, and a growth layer having high quality crystallinity such as reduction of defects and dislocations can be formed.

1.2 成長層付き基板15の結晶成長層の電気的特性
成長層付き基板15の結晶成長層の電気的特性について以下に詳細に説明する。当該結晶成長層の電気的特性を、van der Pauw法により測定した。測定は、Bio-Rad Microscience社製HL5500 Hall Systemを用いて実施した。本装置を用い、電流と電圧よりシート抵抗(R)を求め、次に磁界を印加してシートHall係数(RHS)を求めた。そして、その値を用いてシートキャリア密度(N)と移動度(μ)を算出した。また、予め、触針式段差計(DEKTAK)により測定した膜厚(t)を用いて、比抵抗(ρ)とキャリア密度(N)を求めた。
1.2 Electrical Characteristics of Crystal Growth Layer of Substrate 15 with Growth Layer The electrical characteristics of the crystal growth layer of substrate 15 with the growth layer will be described in detail below. The electrical characteristics of the crystal growth layer were measured by the van der Pauw method. The measurement was performed using HL5500 Hall System manufactured by Bio-Rad Microscience. Using this apparatus, the sheet resistance (R S ) was determined from the current and voltage, and then the magnetic field was applied to determine the sheet Hall coefficient (R HS ). The sheet carrier density (N S ) and mobility (μ) were calculated using the values. In addition, the specific resistance (ρ) and the carrier density (N) were obtained in advance using the film thickness (t) measured by a stylus profilometer (DEKTAK).

成長層付き基板15の結晶成長層の層厚は約1μm、シート抵抗(Rs)は132Ω/□(Ω/square)、比抵抗(ρ)は0.0132Ω・cm、キャリア密度(N)は1×1019cm−3であった。しかし、膜中のAl濃度は、基板界面で1×1021cm−3を超え、表面方向に向かって減少し、表面において1×1016cm−3以下に達する。すなわち、成長層付き基板15の成長層のシート抵抗および比抵抗は、少なくとも不純物密度が1×1019cm−3より高い層領域(区間A+区間B=90nm)の特性値によるものである。 The thickness of the crystal growth layer of the substrate with growth layer 15 is about 1 μm, the sheet resistance (Rs) is 132 Ω / □ (Ω / square), the specific resistance (ρ) is 0.0132 Ω · cm, and the carrier density (N) is 1. × 10 19 cm -3 . However, the Al concentration in the film exceeds 1 × 10 21 cm −3 at the substrate interface, decreases toward the surface, and reaches 1 × 10 16 cm −3 or less at the surface. That is, the sheet resistance and specific resistance of the growth layer of the substrate with growth layer 15 are due to the characteristic values of the layer region (section A + section B = 90 nm) having at least an impurity density higher than 1 × 10 19 cm −3 .

ところで、最大キャリア密度はプラズマ振動を無視すれば約2×1021cm−3とされている(北海道工業技術センター研究報告、No.6(2000)、「ZnO−Based Transparent Conducting Oxide Film」)。プラズマ振動等を考慮しても1×1021cm−3程度までは可能である。すなわち、Alが固溶している領域(区間A=20nm)のキャリア密度は非常に高い状態にある。 By the way, if the plasma oscillation is ignored, the maximum carrier density is about 2 × 10 21 cm −3 (Hokkaido Industrial Technology Center research report No. 6 (2000), “ZnO-Based Transparent Conducting Oxide Film”). Even in consideration of plasma vibration or the like, it can be up to about 1 × 10 21 cm −3 . That is, the carrier density in the region where Al is dissolved (section A = 20 nm) is in a very high state.

次に、上記区間別の比抵抗を見積った結果を表2に示す。なお、当該見積りは独立行政法人産業技術研究所の資料(日本MRSニュースVol.13 No.3 Aug. 2001、図3:「酸化物半導体酸化亜鉛の新展開」、独立行政法人産業技術総合研究所、仁木栄:http://www.mrs-j.org/mrsjnews/news13-3/2001_3topics.PDF)を参照して行った。すなわち、当該資料から移動度、キャリア密度の範囲をそれぞれ読み取り、区間Aの比抵抗の理論的範囲を求めた。移動度は、15〜25cm2/(V・s)の範囲内であり、キャリア密度は、6×1020〜1×1021cm−3の範囲内になると考えられる。これから比抵抗の範囲を求めると、2.5×10−4〜6.9×10−3Ω・cmとなる。本実施例における区間Aの比抵抗値は上記範囲内に含まれている。上限でも下限でも比抵抗の値は大きく変わらないものであり、状況によって値が多少異なってもこの範囲内の比抵抗値が期待できる。 Next, Table 2 shows the result of estimating the specific resistance for each section. The estimate is based on materials from the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (Japan MRS News Vol.13 No.3 Aug. 2001, Figure 3: "New Development of Zinc Oxide Semiconductor", National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) Sakae Niki: http://www.mrs-j.org/mrsjnews/news13-3/2001_3topics.PDF) That is, the range of mobility and carrier density was read from the material, and the theoretical range of specific resistance in section A was obtained. The mobility is considered to be in the range of 15 to 25 cm 2 / (V · s), and the carrier density is considered to be in the range of 6 × 10 20 to 1 × 10 21 cm −3 . From this, the specific resistance range is 2.5 × 10 −4 to 6.9 × 10 −3 Ω · cm. The specific resistance value in the section A in the present embodiment is included in the above range. The value of the specific resistance does not change greatly at the upper limit and the lower limit, and a specific resistance value within this range can be expected even if the value varies slightly depending on the situation.

同様に、区間Bの比抵抗の範囲についても求めた。移動度は、35〜80cm2/(V・s)の範囲内であり、キャリア密度は、1×1019〜4×1020cm−3の範囲内になると考えられる。これから比抵抗の範囲は、4.5×10−4〜7.8×10−3Ω・cmとなる。区間Bについても本実施例の比抵抗値はこの範囲内に含まれ、上限でも下限でも比抵抗の値は大きく変わらないものであり、状況によって値が多少異なってもこの範囲内の比抵抗値が期待できる。 Similarly, the specific resistance range in section B was also determined. The mobility is considered to be in the range of 35 to 80 cm 2 / (V · s), and the carrier density is considered to be in the range of 1 × 10 19 to 4 × 10 20 cm −3 . From this, the range of the specific resistance is 4.5 × 10 −4 to 7.8 × 10 −3 Ω · cm. The specific resistance value of the present embodiment is also included in this range for the section B, and the specific resistance value does not change greatly regardless of the upper limit or the lower limit, and the specific resistance value within this range may vary slightly depending on the situation. Can be expected.

Alが固溶している区間A(厚さ20nm)、Alが高濃度拡散している区間B(厚さ70nm)、Al拡散区間=C(厚さ220nm)、Al低濃度拡散区間=D(厚さ600nm)とした場合、A,B,C,D区間の比抵抗は、それぞれ4.2×10−4Ω・cm、3.1×0−3Ω・cm、4.5×10−2Ω・cm、8.9×10−1Ω・cmと見積もられた。またシート抵抗は、それぞれ208Ω/□、509Ω/□、2027Ω/□、14860Ω/□と見積もられた。そして、区間A〜Dの合成シート抵抗は136Ω/□と計算でき、実測値132Ω/□と良く一致することがわかった。 Section A (thickness 20 nm) in which Al is dissolved, Section B (thickness 70 nm) in which Al is diffused at high concentration, Al diffusion section = C (thickness 220 nm), Al low concentration diffusion section = D ( When the thickness is 600 nm), the specific resistances in sections A, B, C, and D are 4.2 × 10 −4 Ω · cm, 3.1 × 0 −3 Ω · cm, and 4.5 × 10 −, respectively. It was estimated to be 2 Ω · cm and 8.9 × 10 −1 Ω · cm. The sheet resistances were estimated as 208Ω / □, 509Ω / □, 2027Ω / □, and 14860Ω / □, respectively. And the synthetic sheet resistance of the sections A to D can be calculated as 136Ω / □, and it was found that the synthetic sheet resistance agrees well with the actually measured value 132Ω / □.

なお、区間Aの比抵抗の範囲については、区間Aの移動度を25cm/(V・s)とした場合、プラズマ振動を加味した最大キャリア密度を1×1021cm−3と仮定すれば、区間Aの比抵抗は2.5×10−4Ω・cmになる。また、移動度が15cm/(V・s)、不純物による補償の影響が大きいことを考慮すれば、キャリア密度を6×1020cm−3とした場合で区間Aの比抵抗は6.9×10−4Ω・cmとなる。 As for the specific resistance range in section A, assuming that the mobility in section A is 25 cm 2 / (V · s), the maximum carrier density in consideration of plasma vibration is assumed to be 1 × 10 21 cm −3. The specific resistance in section A is 2.5 × 10 −4 Ω · cm. Further, considering that the mobility is 15 cm 2 / (V · s) and the influence of compensation by impurities is large, the specific resistance in section A is 6.9 when the carrier density is 6 × 10 20 cm −3. × 10 −4 Ω · cm.

同様に、区間Bの比抵抗の範囲については、区間Bの移動度を35cm/(V・s)とした場合、不純物補償等で不純物濃度限界の半分のキャリア密度4×1020cm−3になったと仮定すれば、区間Bの比抵抗は4.5×10−4Ω・cmになる。また、移動度が80cm/(V・s)、区間最低のキャリア密度1×1019cm−3の場合でも区間Bの比抵抗は7.8×10−3Ω・cmとなる。 Similarly, regarding the specific resistance range of the section B, when the mobility of the section B is 35 cm 2 / (V · s), the carrier density is 4 × 10 20 cm −3 which is half the impurity concentration limit due to impurity compensation or the like. If it is assumed, the specific resistance in the section B is 4.5 × 10 −4 Ω · cm. Further, even when the mobility is 80 cm 2 / (V · s) and the lowest carrier density in the section is 1 × 10 19 cm −3 , the specific resistance in the section B is 7.8 × 10 −3 Ω · cm.

1.3 第1及び第2の単結晶層11A、11Bの層厚
電流拡散を促進するには、シート抵抗が低い必要がある。比抵抗が十分低い場合にシート抵抗を下げるには、膜厚を厚くすれば良い。すなわち、第1及び第2の単結晶層11A、11Bを厚く形成すれば良いことになる。
1.3 Layer thicknesses of the first and second single crystal layers 11A and 11B In order to promote current diffusion, the sheet resistance needs to be low. In order to reduce the sheet resistance when the specific resistance is sufficiently low, the film thickness may be increased. That is, the first and second single crystal layers 11A and 11B may be formed thick.

第1の単結晶層11Aは、サファイア結晶上にZnO単結晶を積層するための配向制御層なので、配向性が乱れないような厚さを有する必要がある。第1の単結晶層11Aの層厚が5nm〜100nmの範囲であれば配向性を乱さず厚膜化できる。具体的には、膜厚30nmまでは400℃で成長速度0.4〜0.8nm/minの範囲で成長し、次の30nmを成長温度350℃で成長速度0.8〜3.2nm/minで成長し、最後の40nmを成長速度300℃で成長速度3.2〜9nm/minで成長する。初期の成長速度を遅くすることで、結晶配向性の向上とAl溶出(固溶)を促進できる。また厚み方向に成長温度を下げることで平坦性を保つことができる。   Since the first single crystal layer 11A is an orientation control layer for laminating a ZnO single crystal on a sapphire crystal, it needs to have a thickness that does not disturb the orientation. If the thickness of the first single crystal layer 11A is in the range of 5 nm to 100 nm, the orientation can be increased without disturbing the orientation. Specifically, the film is grown up to a thickness of 30 nm at a growth rate of 0.4 to 0.8 nm / min at 400 ° C., and the next 30 nm is grown at a growth temperature of 350 ° C. and a growth rate of 0.8 to 3.2 nm / min. The last 40 nm is grown at a growth rate of 300 ° C. and a growth rate of 3.2 to 9 nm / min. By slowing the initial growth rate, the crystal orientation can be improved and Al elution (solid solution) can be promoted. Moreover, flatness can be maintained by lowering the growth temperature in the thickness direction.

例えば、層厚が20nmの場合、シート抵抗は208Ω/□であるが、その他の条件を同一にして第1の単結晶層11Aの厚さのみ100nmに厚膜化するとシート抵抗を42Ω/□に低減できる。特に、Al固溶層及び固溶拡散層(区間A+区間B)のシート抵抗を低くするには、第1の単結晶層11Aの厚膜化が効果的である。   For example, when the layer thickness is 20 nm, the sheet resistance is 208Ω / □, but when the other conditions are the same and only the thickness of the first single crystal layer 11A is increased to 100 nm, the sheet resistance is 42Ω / □. Can be reduced. In particular, to reduce the sheet resistance of the Al solid solution layer and the solid solution diffusion layer (section A + section B), it is effective to increase the thickness of the first single crystal layer 11A.

第2の単結晶層11Bは、第2の単結晶層11B上に成長するZnO系半導体層12の2次元結晶成長過程を容易(促進)にするための機能層であり、その機能を引き出す成膜条件は、層厚に対して比較的鈍感(緩慢)である。第2の単結晶層11Bの層厚は、5nm〜200nmの範囲であれば厚膜化しても問題はない。第2の単結晶層11Bの厚膜化は、600℃〜800℃に昇温成長する工程時間を長くする方法で膜厚200nm程度まで可能である。具体的には、600℃で40nm成長し、800℃までの昇温時間を10分にすることで160nm成長できる。昇温速度を100℃/minから30℃/minとすることで、成長膜への熱ストレスが緩やかになり、第2の単結晶層11Bの機能(2D成長促進機能)を低下せず成長できる。   The second single crystal layer 11B is a functional layer for facilitating (promoting) the two-dimensional crystal growth process of the ZnO-based semiconductor layer 12 grown on the second single crystal layer 11B. The film conditions are relatively insensitive (slow) to the layer thickness. If the thickness of the second single crystal layer 11B is in the range of 5 nm to 200 nm, there is no problem even if the film thickness is increased. The film thickness of the second single crystal layer 11B can be increased to about 200 nm by a method of increasing the process time for heating to 600 ° C. to 800 ° C. Specifically, it grows by 40 nm at 600 ° C., and can grow by 160 nm by setting the temperature rising time to 800 ° C. to 10 minutes. By setting the rate of temperature increase from 100 ° C./min to 30 ° C./min, the thermal stress on the growth film becomes moderate, and the function (2D growth promoting function) of the second single crystal layer 11B can be grown without deteriorating. .

例えば、層厚が70nmの場合シート抵抗は510Ω/□であるが、その他の条件を同一にして第2の単結晶層11Bの厚さのみ200nmに厚膜化するとシート抵抗を178Ω/□に低減できる。   For example, the sheet resistance is 510 Ω / □ when the layer thickness is 70 nm, but the sheet resistance is reduced to 178 Ω / □ when the thickness of only the second single crystal layer 11B is increased to 200 nm with other conditions being the same. it can.

1.4 ZnO系半導体層12の成長温度と比抵抗
ZnO系半導体層12の成長温度を800℃、700℃、600℃としたときの成長層付き基板15(#1,#2,#3)のHall測定結果を表3に示す。
1.4 Growth temperature and specific resistance of ZnO-based semiconductor layer 12 Growth substrate with growth layer 15 when the growth temperature of ZnO-based semiconductor layer 12 is 800 ° C., 700 ° C., 600 ° C. (# 1, # 2, # 3) Table 3 shows the Hall measurement results.

成長温度が600℃、700℃、800℃の場合の比抵抗値は、それぞれ0.043、0.034、0.013Ω・cmであり、成長温度が高いほど良好なAl固溶拡散層が形成できる。また、ZnO系半導体層12の結晶性および表面モフォロジの観点からも、成長温度は高いほど良い。具体的には、600℃〜850℃の温度が適している。特に、結晶性の観点からは740℃〜810℃の範囲が良い。この層は、第2の単結晶層11BからAlが拡散する層なので、層厚方向にAl濃度は低下する。なお、この特性を用いて、Al固溶拡散層(区間A+区間B)と第1のn型Zn系半導体層(後述する)の抵抗を調整することもできる。   The specific resistance values when the growth temperature is 600 ° C., 700 ° C., and 800 ° C. are 0.043, 0.034, and 0.013 Ω · cm, respectively, and the higher the growth temperature, the better the Al solid solution diffusion layer is formed. it can. Also, from the viewpoint of the crystallinity and surface morphology of the ZnO-based semiconductor layer 12, the higher the growth temperature, the better. Specifically, a temperature of 600 ° C. to 850 ° C. is suitable. In particular, the range of 740 ° C. to 810 ° C. is preferable from the viewpoint of crystallinity. Since this layer is a layer in which Al diffuses from the second single crystal layer 11B, the Al concentration decreases in the layer thickness direction. In addition, the resistance of the Al solid solution diffusion layer (section A + section B) and the first n-type Zn-based semiconductor layer (described later) can be adjusted using this characteristic.

1.5 比較例の電気的特性
上記したように、MBE法で作成した比較例においては、サファイア基板からのAl拡散は認められない。従って、単結晶透明導電膜に相当するAl固溶拡散層は存在しない。また、比抵抗値は0.80Ω・cmと高いことがわかった。
1.5 Electrical Characteristics of Comparative Example As described above, Al diffusion from the sapphire substrate is not recognized in the comparative example prepared by the MBE method. Therefore, there is no Al solid solution diffusion layer corresponding to the single crystal transparent conductive film. The specific resistance value was found to be as high as 0.80 Ω · cm.

以上、説明したように、本発明における比抵抗の低いAl固溶拡散層(固溶層及び高濃度拡散層)は、酸素を含まない有機金属材料と水蒸気を用いたMOCVD法によって第1の低温単結晶層形成と熱処理、および第2の低温単結晶層形成の工程により形成が可能となった。特に、第1の低温単結晶形成の工程でサファイア基板中のAlがZnO結晶層中に溶出(固溶)することによるものである。   As described above, the Al solid solution diffusion layer (solid solution layer and high-concentration diffusion layer) having a low specific resistance in the present invention is the first low-temperature by MOCVD using an organic metal material not containing oxygen and water vapor. The single crystal layer formation and the heat treatment, and the second low-temperature single crystal layer formation process enabled the formation. In particular, this is because Al in the sapphire substrate is eluted (solid solution) into the ZnO crystal layer in the first low-temperature single crystal formation step.

具体的には、サファイア基板とZnO成長層との界面にAl不純物濃度が、高濃度に拡散した層が存在し、区間Aから区間Bの比抵抗値が2.5×10−4Ω・cm〜7.8×10−3Ω・cmと低い層を形成しているといえる。言い換えれば、絶縁性基板とZn酸化物層の界面に透明導電膜が形成されているともいえる。また、第1の低温単結晶層11Aは100nmまで、第2の低温単結晶層11Bは200nmまで厚膜化が可能であり、ZnO系結晶層12は高温(800℃など)で形成することで比抵抗の低いAl固溶拡散層の形成が可能である。 Specifically, there is a layer in which the Al impurity concentration is diffused at a high concentration at the interface between the sapphire substrate and the ZnO growth layer, and the specific resistance value from section A to section B is 2.5 × 10 −4 Ω · cm. It can be said that the low layer is formed as ˜7.8 × 10 −3 Ω · cm. In other words, it can be said that a transparent conductive film is formed at the interface between the insulating substrate and the Zn oxide layer. The first low-temperature single crystal layer 11A can be thickened up to 100 nm, the second low-temperature single crystal layer 11B can be thickened up to 200 nm, and the ZnO-based crystal layer 12 can be formed at a high temperature (such as 800 ° C.). An Al solid solution diffusion layer having a low specific resistance can be formed.

2.LEDウエハ25の結晶成長層及び比抵抗
LEDウエハ25は、Al固溶層及びAl高濃度拡散層が形成されたZnO系結晶層上にn型ZnO系結晶層(第1及び第2のZnO系半導体層)、発光層及びp型ZnO系半導体層を積層した構成を有している。
2. Crystal growth layer and specific resistance of LED wafer 25 The LED wafer 25 has an n-type ZnO-based crystal layer (first and second ZnO-based layers) on a ZnO-based crystal layer on which an Al solid solution layer and an Al high-concentration diffusion layer are formed. A semiconductor layer), a light emitting layer, and a p-type ZnO-based semiconductor layer.

LED素子30の発光領域(素子区画31内の領域)内の電流分布を均一にするには、p型ZnO系半導体層/発光層/n型ZnO系半導体層からなる積層構造体を導電性の良好な層で挟んだ構造にすれば良い。ただし、当該良導電性層は、基板にエピタキシャル成長し、かつ、その上にデバイス層をエピタキシャル成長させることができる結晶層でなければならない。さらに、本発明においては、基板側に存在する当該良導電性層は、Al固溶層及びAl高濃度拡散層であるため基板にエピタキシャル成長し、かつ、その上にデバイス層をエピタキシャル成長させることが可能である。   In order to make the current distribution in the light emitting region (region in the element section 31) of the LED element 30 uniform, a laminated structure composed of p-type ZnO-based semiconductor layer / light-emitting layer / n-type ZnO-based semiconductor layer is made conductive. A structure sandwiched between favorable layers may be used. However, the highly conductive layer must be a crystal layer that can be epitaxially grown on the substrate and the device layer can be epitaxially grown thereon. Further, in the present invention, since the good conductive layer existing on the substrate side is an Al solid solution layer and an Al high concentration diffusion layer, it is possible to epitaxially grow on the substrate and epitaxially grow a device layer thereon. It is.

従来技術においても、p型ZnO系結晶層側にはp側透光性電極を形成することは可能だが、n型ZnO系結晶層側には透明電極を形成することはできない。すなわち、ZnO結晶は、ZnサイトをAl、Ga、In原子で数%オーダー置換することでAZO、GZO、IZO透明導電膜を形成することができる。これらの透明導電膜は、スパッタ法等でガラスや樹脂(アクリル、ポリイミドなど)上に形成でき、LCD、有機EL、太陽電池用の電極等に用いられる。これの膜は、基板面に対してc軸が垂直に配向した多結晶で構成されている。そして、成長条件や構成元素、組成によるが、10−4〜10−3オーダーの比抵抗値が得られる。しかしながら、これらの透明導電膜上に単結晶ZnO系結晶層を形成することはできない。つまり、本発明は、Al固溶拡散層により単結晶透明導電膜層の形成を可能とし、さらに、その上に単結晶ZnO系半導体層の形成を可能とする点において、上記透明導電膜によっては得られない効果を有している。 Even in the prior art, it is possible to form a p-side translucent electrode on the p-type ZnO-based crystal layer side, but it is not possible to form a transparent electrode on the n-type ZnO-based crystal layer side. That is, the ZnO crystal can form an AZO, GZO, and IZO transparent conductive film by substituting Zn sites with Al, Ga, and In atoms on the order of several percent. These transparent conductive films can be formed on glass or resin (acrylic, polyimide, etc.) by a sputtering method or the like, and are used for electrodes for LCDs, organic ELs, solar cells, and the like. These films are made of polycrystal having the c-axis oriented perpendicular to the substrate surface. Depending on the growth conditions, constituent elements, and composition, a specific resistance value on the order of 10 −4 to 10 −3 can be obtained. However, a single crystal ZnO-based crystal layer cannot be formed on these transparent conductive films. That is, the present invention enables the formation of a single crystal transparent conductive film layer with an Al solid solution diffusion layer, and further allows the formation of a single crystal ZnO-based semiconductor layer thereon, depending on the transparent conductive film. It has an effect that cannot be obtained.

2.1 シート抵抗及び放射強度分布
本実施例のLEDウエハ25の各層の比抵抗およびシート抵抗値を次表に示す。
2.1 Sheet Resistance and Radiation Intensity Distribution The specific resistance and sheet resistance value of each layer of the LED wafer 25 of this example are shown in the following table.

ここで、区間Cの層厚を0.220μm、区間A〜Cの合成シート抵抗を138Ω/□とした。また、第1のn型ZnO系半導体層21の層厚を2.0μm、シート抵抗を312Ω/□とした。このとき、区間A〜C及び第1のn型ZnO系半導体層の合成シート抵抗は96Ω/□であった。また、第2のn型ZnO系半導体層22の層厚を0.070μm、シート抵抗を22863Ω/□とした。   Here, the layer thickness of the section C was 0.220 μm, and the combined sheet resistance of the sections A to C was 138Ω / □. The thickness of the first n-type ZnO-based semiconductor layer 21 was 2.0 μm, and the sheet resistance was 312 Ω / □. At this time, the synthetic sheet resistance of the sections A to C and the first n-type ZnO-based semiconductor layer was 96Ω / □. The thickness of the second n-type ZnO-based semiconductor layer 22 was 0.070 μm, and the sheet resistance was 22863 Ω / □.

このように形成したLED素子の発光区画面内の放射強度分布(発光強度分布)は、Al固溶層及びAl高濃度拡散層)を設けない場合に比べ、大きく改善された。また、電流密度分布が均一化されたことによって発光層への電流注入効率も高まり、発光強度も向上した。   The emission intensity distribution (emission intensity distribution) in the emission zone screen of the LED element formed in this way was greatly improved as compared with the case where the Al solid solution layer and the Al high concentration diffusion layer) were not provided. In addition, since the current density distribution is made uniform, the current injection efficiency into the light emitting layer is increased, and the light emission intensity is also improved.

上記したように、本実施例においては、Al固溶層及び高濃度拡散層(透明導電層)が形成されたZnO系結晶層(区間A,B,C)上にデバイス層を積層した構成を有している。n型半導体層において電流分布を均一化するには、n型半導体層よりも基板側の層の合成シート抵抗値がn型半導体層よりも小さい必要がある。Al固溶層及び高濃度拡散層(区間A及びB)の合成シート抵抗値(SR(AB))が第1のn型ZnO系半導体層21のシート抵抗値(SR(1))よりも小さいことが最も望ましいが、ZnO系結晶層12(区間A,B,C)及び第1のn型ZnO系半導体層21の合成シート抵抗値(SR(ABC1))が第2のn型ZnO系半導体層22のシート抵抗値(SR(2))よりも小さければ第2のn型ZnO系半導体層22における電流分布を均一化できる。表4に示した条件では、SR(ABC1)<SR(2)となっている。また、Al固溶拡散層(区間A,B)によって第1のn型ZnO系半導体層21の薄膜化が可能となっている。つまり、例えば、Al固溶拡散層が無い場合に本実施例と同じシート抵抗を得るには、第1のn型ZnO系半導体層21の層厚として6μmが必要である。この場合、成膜時間が長くなり生産性が低下する。   As described above, in this embodiment, the device layer is laminated on the ZnO-based crystal layer (section A, B, C) in which the Al solid solution layer and the high concentration diffusion layer (transparent conductive layer) are formed. Have. In order to make the current distribution uniform in the n-type semiconductor layer, the combined sheet resistance value of the layer closer to the substrate than the n-type semiconductor layer needs to be smaller than that of the n-type semiconductor layer. The composite sheet resistance value (SR (AB)) of the Al solid solution layer and the high concentration diffusion layer (sections A and B) is smaller than the sheet resistance value (SR (1)) of the first n-type ZnO-based semiconductor layer 21. It is most desirable that the composite sheet resistance value (SR (ABC1)) of the ZnO-based crystal layer 12 (sections A, B, C) and the first n-type ZnO-based semiconductor layer 21 is the second n-type ZnO-based semiconductor. If the sheet resistance value (SR (2)) of the layer 22 is smaller, the current distribution in the second n-type ZnO based semiconductor layer 22 can be made uniform. Under the conditions shown in Table 4, SR (ABC1) <SR (2). In addition, the first n-type ZnO-based semiconductor layer 21 can be thinned by the Al solid solution diffusion layer (sections A and B). That is, for example, in order to obtain the same sheet resistance as in the present embodiment when there is no Al solid solution diffusion layer, the thickness of the first n-type ZnO-based semiconductor layer 21 needs to be 6 μm. In this case, the film formation time becomes long and the productivity decreases.

本実施例においては、ZnO系結晶層12の成長の際、区間Cの成長途中からn型不純物のドープを行ったため、区間Dは第1のn型ZnO系半導体層21に含まれているが、区間Dの成長途中からn型不純物のドープを始めた場合ではZnO系結晶層12にはさらに区間Dが存在する。この場合でも同様に、ZnO系結晶層12と第1のn型ZnO系半導体層21の合成シート抵抗値(SR(ABCD1))が第2のn型ZnO系半導体層22のシート抵抗値(SR(2))よりも小さければ(SR(ABCD1)<SR(2))、第2のn型ZnO系半導体層22における電流分布を均一化できる。   In this embodiment, when the ZnO-based crystal layer 12 is grown, since the n-type impurity is doped in the middle of the growth of the section C, the section D is included in the first n-type ZnO-based semiconductor layer 21. When the doping of the n-type impurity is started in the middle of the growth of the section D, the section D further exists in the ZnO-based crystal layer 12. Similarly, in this case, the combined sheet resistance value (SR (ABCD1)) of the ZnO-based crystal layer 12 and the first n-type ZnO-based semiconductor layer 21 is the sheet resistance value (SR) of the second n-type ZnO-based semiconductor layer 22. If it is smaller than (2)) (SR (ABCD1) <SR (2)), the current distribution in the second n-type ZnO-based semiconductor layer 22 can be made uniform.

2.2 本実施例の改変例
本実施例の改変例の層構造及びシート抵抗等を表5に示す。
2.2 Modification of this example Table 5 shows the layer structure, sheet resistance, and the like of the modification of this example.

本改変例においては、区間Aを100nm、区間Bを200nm、区間Cを100nmとしたLED素子を作製した。このように形成したLED素子の発光区画面内の発光強度分布、発光強度は、上記実施例(表4)の場合に比べ更に向上した。また、順方向電圧(Vf)も上記実施例よりも低減された。   In this modified example, an LED element having a section A of 100 nm, a section B of 200 nm, and a section C of 100 nm was manufactured. The luminous intensity distribution and luminous intensity in the luminous zone screen of the LED element thus formed were further improved as compared with the case of the above-mentioned example (Table 4). Further, the forward voltage (Vf) was also reduced as compared with the above example.

以上、詳細に説明したように、半導体発光素子構造において、電気抵抗の低いAl固溶拡散層は電流拡散作用を有し、素子区画面内の発光強度分布を改善することを確認した。また、Al固溶拡散層のシート抵抗が最小になるような層構成とすることで、さらに素子区画面内の発光強度分布、発光強度が改善されることを確認した。   As described above in detail, in the semiconductor light emitting device structure, it was confirmed that the Al solid solution diffusion layer having a low electrical resistance has a current diffusion function and improves the light emission intensity distribution in the device section screen. In addition, it was confirmed that the light emission intensity distribution and the light emission intensity in the device area screen were further improved by adopting a layer structure that minimizes the sheet resistance of the Al solid solution diffusion layer.

3.固溶層の形成
上記実施例においては、MOCVD法によりAl固溶層及び固溶拡散層を形成する場合を例に説明したが、他の成長方法、例えば、PLD(Pulsed Laser Deposition)法、ハライドVPE(HVPE)法、プラズマCVD法、スパッタ法等で固溶層を形成しても構わない、要は、サファイア基板とZnO系結晶成長層との界面にAl固溶層を備えていればよい。
3. Formation of Solid Solution Layer In the above embodiment, the case where an Al solid solution layer and a solid solution diffusion layer are formed by MOCVD is described as an example. However, other growth methods such as a PLD (Pulsed Laser Deposition) method, a halide, etc. A solid solution layer may be formed by a VPE (HVPE) method, a plasma CVD method, a sputtering method, or the like. In short, an Al solid solution layer may be provided at the interface between the sapphire substrate and the ZnO-based crystal growth layer. .

また、上記実施例において示した、サファイア基板とZnO系結晶成長層との界面にAl固溶層を形成するためのZnO系結晶の成長条件は例示にすぎず、これらに限定されない。以下に、MOCVD法を用いてサファイア基板上にZnO系結晶を成長し、基板と当該成長層との界面にAl固溶層を形成するためのZnO系結晶成長層の性質及び成長条件について詳細に説明する。   In addition, the growth conditions of the ZnO-based crystal for forming the Al solid solution layer at the interface between the sapphire substrate and the ZnO-based crystal growth layer shown in the above examples are merely examples, and are not limited thereto. Below, details of the properties and growth conditions of the ZnO-based crystal growth layer for growing a ZnO-based crystal on the sapphire substrate using the MOCVD method and forming an Al solid solution layer at the interface between the substrate and the growth layer are described in detail. explain.

なお、以下においては、説明及び理解の容易さのため、サファイア基板上に成長する成長層を接続層(又は第1の成長層)と称し、当該接続層上に成長する結晶層をデバイス層(又は第2の成長層)として説明する。   In the following, for ease of explanation and understanding, the growth layer grown on the sapphire substrate is referred to as a connection layer (or first growth layer), and the crystal layer grown on the connection layer is referred to as a device layer ( Or a second growth layer).

3.1 ZnO系結晶成長層(接続層)の性質
基板のAlを固溶させる場合のZnO系結晶成長層(接続層)の性質、状態としては、ドメイン径が小さく、また、表面の凹凸差が大きい方が良い。すなわち、熱処理工程において、成長層の形状変化率が大きい方がサファイア基板のAlを固溶させ易くなるからである。
3.1 Properties of ZnO-based crystal growth layer (connection layer) Properties and states of ZnO-based crystal growth layer (connection layer) in the case of dissolving Al in the substrate include a small domain diameter and a difference in surface roughness. Is better. That is, in the heat treatment step, the larger the change rate of the growth layer shape, the easier it is to dissolve Al of the sapphire substrate.

しかしながら、過度な条件で成長すると、単結晶性が損なわれ、また、成長後の熱処理での結晶性回復が不十分になる。すなわち、当該接続層上に成長するデバイス層などのZnO系結晶層の結晶性を低下させ、固溶したAlの拡散を抑制できなくなるからである。また、接続層が、例えば、多結晶、アモルファス状結晶の場合、熱処理工程においてAl成分が粒界に偏析するなどして、十分な結晶性回復ができず、高成長温度でのデバイス層の成長段階で欠陥や転位が高密度に導入され、Al拡散を抑制できなくなるからである。   However, when grown under excessive conditions, single crystallinity is impaired, and crystallinity recovery by heat treatment after growth becomes insufficient. That is, the crystallinity of a ZnO-based crystal layer such as a device layer grown on the connection layer is lowered, and diffusion of solid solution Al cannot be suppressed. In addition, when the connection layer is, for example, a polycrystal or an amorphous crystal, the Al component is segregated at the grain boundary in the heat treatment step, so that sufficient crystallinity cannot be recovered, and the device layer grows at a high growth temperature. This is because defects and dislocations are introduced at high density at this stage, and Al diffusion cannot be suppressed.

なお、上記実施例においては、サファイア基板上に、接続層として低成長温度で第1のZnO層(第1の単結晶層)11A及び第2のZnO層(第2の単結晶層)11Bを形成し、その上に高成長温度でZnO系半導体層12を形成する場合について説明した。しかし、接続層として当該第1の単結晶層(ZnO系単結晶層)のみを形成し、当該第1の単結晶層(接続層)上にデバイス層などのZnO系結晶層を成長してもよい。   In the above embodiment, the first ZnO layer (first single crystal layer) 11A and the second ZnO layer (second single crystal layer) 11B are formed on the sapphire substrate as a connection layer at a low growth temperature. The case where the ZnO-based semiconductor layer 12 is formed at a high growth temperature has been described. However, even if only the first single crystal layer (ZnO-based single crystal layer) is formed as a connection layer, and a ZnO-based crystal layer such as a device layer is grown on the first single crystal layer (connection layer). Good.

3.2 第1の低温成長単結晶層11Aの成長条件
<成長温度>
第1の低温成長単結晶層11Aの成長温度は、一般的にZnO単結晶を成長するための結晶成長温度(「高成長温度」という。)よりも低い温度(「低成長温度」という。)であることが適切である。当該高成長温度では、島状成長しやすく、層状単結晶になりにくいからである。
3.2 Growth conditions of first low-temperature grown single crystal layer 11A <Growth temperature>
The growth temperature of the first low-temperature grown single crystal layer 11A is generally lower than the crystal growth temperature (referred to as “high growth temperature”) for growing a ZnO single crystal (referred to as “low growth temperature”). Is appropriate. This is because at the high growth temperature, island-like growth is easy and layered single crystals are hardly formed.

より詳細には、成長温度は、250℃〜450℃の範囲内が好ましい。さらに、300℃〜400℃の温度範囲内であることがより好ましい。250℃以下ではマイグレーション長が短くなるため、アモルファス化、多結晶化し易くなる。また、上記したように、450℃以上になると島状成長しやすくなり、接続層上の成長層が層状単結晶になりにくいからである。   More specifically, the growth temperature is preferably in the range of 250 ° C to 450 ° C. Furthermore, it is more preferable that it exists in the temperature range of 300 to 400 degreeC. At 250 ° C. or lower, the migration length becomes short, so that it becomes easy to be amorphous or polycrystallized. Further, as described above, when the temperature is higher than 450 ° C., island-like growth is likely to occur, and the growth layer on the connection layer is difficult to become a layered single crystal.

<成長圧力>
第1の単結晶層11Aが成長後の熱処理によって偏析等を生じず、十分な結晶性回復がなされるために、また、第1の単結晶層11A上の成長層が単結晶成長するために、第1の単結晶層11Aの単結晶性が損なわれないことが必要である。すなわち、第1の単結晶層11Aの単結晶成長のためには、基板面上での反応化学種(DMZn、HO、中間生成物、結晶化前のZn原子、結晶化前のO原子等)のマイグレーション長が大きい方がよい。従って、減圧成長が好適であり、具体的には、成長圧力として1kPa〜30kPaが好適であり、より好ましくは5kPa〜20kPaである。成長圧力が1kPa以下になると著しく成長速度が遅くなる。
<Growth pressure>
The first single crystal layer 11A does not cause segregation or the like due to the heat treatment after the growth, and sufficient crystallinity recovery is performed. In addition, the growth layer on the first single crystal layer 11A is single crystal grown. It is necessary that the single crystallinity of the first single crystal layer 11A is not impaired. That is, for the single crystal growth of the first single crystal layer 11A, reactive chemical species (DMZn, H 2 O, intermediate products, Zn atoms before crystallization, O atoms before crystallization on the substrate surface) Etc.) should have a large migration length. Therefore, the reduced pressure growth is suitable, and specifically, the growth pressure is preferably 1 kPa to 30 kPa, more preferably 5 kPa to 20 kPa. When the growth pressure is 1 kPa or less, the growth rate is remarkably slowed.

<成長速度>
成長速度は0.4nm/min〜9nm/minの範囲内であることが好ましい。さらに、0.8nm/min〜4nm/minの範囲内であることがより好ましい。成長速度が、9nm/min以上では表面の凹凸が大きくなり、十分な平坦性が得られない場合がある。
<Growth rate>
The growth rate is preferably in the range of 0.4 nm / min to 9 nm / min. Furthermore, it is more preferable to be within the range of 0.8 nm / min to 4 nm / min. When the growth rate is 9 nm / min or more, the surface irregularities become large, and sufficient flatness may not be obtained.

<材料ガス>
低成長圧力、低成長温度下でZnO単結晶層を形成し、固溶層形成を促進するには高い相互反応性を有する材料選択が必要である。相互反応性が低いと結晶成長しなかったり、アモルファス化あるいは多結晶化するからである。Zn源としては、構成分子中に酸素を含まず、酸素源材料と高い反応性を有する有機金属化合物が好適である。上記したDMZnの他には、例えば、DEZn(ジエチル亜鉛)がある。また、酸素源としては、分子内での分極が大きく、高い反応性を有するHO(水蒸気)が適している。
<Material gas>
In order to form a ZnO single crystal layer under a low growth pressure and a low growth temperature and to promote the formation of a solid solution layer, it is necessary to select a material having high mutual reactivity. This is because if the mutual reactivity is low, the crystal does not grow, or becomes amorphous or polycrystallized. As the Zn source, an organometallic compound that does not contain oxygen in the constituent molecules and has high reactivity with the oxygen source material is suitable. In addition to the DMZn described above, for example, there is DEZn (diethyl zinc). As an oxygen source, H 2 O (water vapor) having a large intramolecular polarization and high reactivity is suitable.

<熱処理条件>
上記したように、固溶層の形成には、第1の単結晶層11Aが単結晶化していること、及び極性酸素源(HO:水蒸気)中での熱処理が必要である。より詳細には、接続層は、単結晶ではあるが、ドメイン及び凹凸を有し、熱処理によって界面エネルギーを最小にする方向に、結晶性状が変化する。このとき、サファイア基板のAl元素がZnO単結晶中に高濃度に固溶される。従って、熱処理温度が高く処理時間が長い方が、Alの固溶濃度が増加する。
<Heat treatment conditions>
As described above, the formation of the solid solution layer requires the first single crystal layer 11A to be single crystallized and heat treatment in a polar oxygen source (H 2 O: water vapor). More specifically, although the connection layer is a single crystal, it has domains and irregularities, and the crystal properties change in a direction that minimizes the interface energy by heat treatment. At this time, the Al element of the sapphire substrate is dissolved in a high concentration in the ZnO single crystal. Therefore, the higher the heat treatment temperature and the longer the treatment time, the higher the solid solution concentration of Al.

また、サファイアは、非常に安定な物質であるため、低温では第1の単結晶層11AにAlを十分に固溶及び拡散させることが難しい。この熱処理温度は、700℃〜1000℃の範囲で可能であるが、Alを高濃度に含んだ状態での第1の単結晶層11Aの結晶性回復の観点から800℃以上の高い温度が好ましい。   Further, since sapphire is a very stable substance, it is difficult to sufficiently dissolve and diffuse Al in the first single crystal layer 11A at a low temperature. The heat treatment temperature can be in the range of 700 ° C. to 1000 ° C., but a high temperature of 800 ° C. or higher is preferable from the viewpoint of crystallinity recovery of the first single crystal layer 11A in a state containing Al at a high concentration. .

従って、接続層の熱処理は、高温で行われることが適切である。具体的には、デバイス層などのZnO系結晶層の成長温度よりも100°以上高い温度、あるいは900°以上であることがさらに好ましい。また、Alの固溶化をより促進する観点から950℃以上1000℃の範囲での高温熱処理が、特に好ましい。   Therefore, it is appropriate that the heat treatment of the connection layer is performed at a high temperature. Specifically, the temperature is more preferably 100 ° or higher than the growth temperature of a ZnO-based crystal layer such as a device layer, or 900 ° or higher. Moreover, the high temperature heat processing in the range of 950 degreeC or more and 1000 degreeC is especially preferable from a viewpoint of promoting the solid solution of Al more.

また、単結晶性及び平坦性を向上させる上でも、マイグレーション長が長くなる低圧力下において熱処理を行うのがよい。なお、熱処理に適した圧力範囲は上記した第1の単結晶層11Aの成長圧力の範囲と同じである。   In order to improve single crystallinity and flatness, it is preferable to perform the heat treatment under a low pressure where the migration length becomes long. Note that the pressure range suitable for the heat treatment is the same as the growth pressure range of the first single crystal layer 11A described above.

3.3 第2の低温成長単結晶層11Bの成長条件
<成長温度>
第1の単結晶層11A上に均等で層状に成膜する条件として、500℃〜650℃が好ましい。成長温度が500℃より低いと結晶性が十分でなく熱処理が必要となる。また、650℃以上ではZnO層11A上に島状成長するようになる。この温度領域では、基板面上での反応化学種(DMZn、HO、中間生成物、結晶化前のZn原子、結晶化前のO原子)の安定サイト(キンク点)選択性が高温ほど高くなく、被覆性も優れている。
3.3 Growth conditions of second low-temperature grown single crystal layer 11B <Growth temperature>
As a condition for forming a uniform layer on the first single crystal layer 11A, 500 ° C. to 650 ° C. is preferable. If the growth temperature is lower than 500 ° C., the crystallinity is not sufficient and a heat treatment is required. Further, at 650 ° C. or higher, island growth occurs on the ZnO layer 11A. In this temperature region, the higher the stability site (kink point) selectivity of reactive chemical species (DMZn, H 2 O, intermediate products, Zn atoms before crystallization, O atoms before crystallization) on the substrate surface, the higher the temperature. It is not expensive and has excellent coverage.

<成長圧力>
第2の単結晶層11Bの成長圧力は、40kPa〜120kPaが好適である。尚、この上限値はMOCVD装置の気密性の上限値であり、成膜条件ではない。
<Growth pressure>
The growth pressure of the second single crystal layer 11B is preferably 40 kPa to 120 kPa. This upper limit value is an upper limit value of the airtightness of the MOCVD apparatus and is not a film forming condition.

<成長速度>
成長速度は60nm/min以下が良く、5nm/min〜60nm/minの範囲内であることが好ましい。異常成長の発生を防止するためである。
<Growth rate>
The growth rate is preferably 60 nm / min or less, and preferably in the range of 5 nm / min to 60 nm / min. This is to prevent the occurrence of abnormal growth.

3.3 ZnO系半導体層(高温成長単結晶層)12の成長条件
サブナノレベルで平坦で、かつ単結晶性に優れた第2のZnO層(第2の単結晶層)11Bの上に、2次元結晶成長モード(横方向成長モード)での成長が行われる条件を用い、ZnO系半導体層(高温成長単結晶層、第3の単結晶層)12を成長している。
3.3 Growth conditions of ZnO-based semiconductor layer (high temperature growth single crystal layer) 12 On the second ZnO layer (second single crystal layer) 11B, which is flat at the sub-nano level and excellent in single crystal properties, 2B A ZnO-based semiconductor layer (high temperature grown single crystal layer, third single crystal layer) 12 is grown using conditions under which growth in a dimensional crystal growth mode (lateral growth mode) is performed.

ここで、本実施例においては、ZnO層11Bの上に、酸素を含まない有機金属化合物材料(DMZn)と水蒸気を用い、高温成長(800℃)とし、成長圧力をZnO層11Bの場合と同様に、ZnO層11Aの成長圧力よりも高い80kPaとして、ZnO層11B上にMgZn(1−x)O結晶層(第2の結晶層)12の成長を行う場合を例に説明した。また、成長速度が17nm/minで、成長層厚が1μmの場合を例に説明した。 Here, in the present embodiment, the organic metal compound material (DMZn) not containing oxygen and water vapor are used on the ZnO layer 11B to achieve high temperature growth (800 ° C.), and the growth pressure is the same as in the case of the ZnO layer 11B. In addition, the case where the Mg x Zn (1-x) O crystal layer (second crystal layer) 12 is grown on the ZnO layer 11B at 80 kPa higher than the growth pressure of the ZnO layer 11A has been described as an example. Further, the case where the growth rate is 17 nm / min and the growth layer thickness is 1 μm has been described as an example.

しかし、上記実施例において示したZnO層11B上へのZnO系半導体層12の成長条件は例示にすぎず、これらに限定されない。成長条件を変えてZnO層11B上にZnO系半導体層を成長し、平坦性及び単結晶に優れたZnO系半導体層12を成長するための条件について検討した。以下に、第2のZnO層(第2の単結晶層)11B上にZnO系半導体層(第3の単結晶層)12を成長する場合の成長条件について詳細に説明する。   However, the growth conditions of the ZnO-based semiconductor layer 12 on the ZnO layer 11B shown in the above embodiment are merely examples, and are not limited thereto. The growth conditions were changed to grow a ZnO-based semiconductor layer on the ZnO layer 11B, and the conditions for growing the ZnO-based semiconductor layer 12 excellent in flatness and single crystal were examined. Below, the growth conditions for growing the ZnO-based semiconductor layer (third single crystal layer) 12 on the second ZnO layer (second single crystal layer) 11B will be described in detail.

<成長圧力>
成長圧力を高くすることによって結晶性が向上することがわかった。すなわち、成長圧力を高くすると成長表面のHO(水蒸気)密度を高くできるので、特に点欠陥を防止できる。結晶性が良好で、ZnO系半導体層(高温成長単結晶層)表面に凹凸やピットが無く平坦な結晶成長面を得るには、高い成長圧力が望ましいことがわかった。具体的には、成長圧力は40kPa以上が好ましい。また、60kPa以上がより好ましく、80kPa以上であることがさらに好ましい。上限としては、120kPa程度が適切である。尚、この上限値はMOCVD装置の気密性の上限値であり、成膜条件ではない。
<Growth pressure>
It was found that the crystallinity is improved by increasing the growth pressure. That is, when the growth pressure is increased, the H 2 O (water vapor) density on the growth surface can be increased, so that point defects can be particularly prevented. It has been found that a high growth pressure is desirable for obtaining a flat crystal growth surface with good crystallinity and no irregularities or pits on the surface of the ZnO-based semiconductor layer (high temperature growth single crystal layer). Specifically, the growth pressure is preferably 40 kPa or more. Moreover, 60 kPa or more is more preferable, and it is further more preferable that it is 80 kPa or more. As an upper limit, about 120 kPa is appropriate. This upper limit value is an upper limit value of the airtightness of the MOCVD apparatus and is not a film forming condition.

<成長温度>
成長温度が高温になるに従い転移密度が減少して結晶性が向上するとともに、平坦性が向上することがわかった。具体的には、横方向成長(2次元成長モード)が促進され、c軸に直交する面(C面)が平坦化される650℃以上が良い。上限はHO(水蒸気)で成長が困難になる850℃程度である。特には、700℃〜810℃の温度範囲内が好ましく、さらに好ましくは740℃〜810℃である。
<Growth temperature>
It has been found that as the growth temperature increases, the transition density decreases, the crystallinity improves, and the flatness improves. Specifically, 650 ° C. or higher at which lateral growth (two-dimensional growth mode) is promoted and a plane (C plane) orthogonal to the c-axis is flattened is preferable. The upper limit is about 850 ° C. where growth becomes difficult with H 2 O (water vapor). In particular, it is preferably in the temperature range of 700 ° C. to 810 ° C., more preferably 740 ° C. to 810 ° C.

<成長速度>
成長速度は、5〜60nm/minの範囲内であることが好ましい。成長速度が60nm/min以上では異常成長が発生し易くなる。
<Growth rate>
The growth rate is preferably in the range of 5 to 60 nm / min. When the growth rate is 60 nm / min or more, abnormal growth tends to occur.

<結晶組成>
ZnO系半導体層12としては、例えば、MgZn(1−x)O (0≦x≦0.43)結晶を用いることができる。しかし、Mg組成xが大きくなると、a軸方向の格子定数差が大きくなり成膜した半導体結晶層の欠陥密度が高くなるので、0≦x≦0.3の範囲内であることがより好ましい。
<Crystal composition>
As the ZnO-based semiconductor layer 12, for example, Mg x Zn (1-x) 2 O (0 ≦ x ≦ 0.43) crystal can be used. However, as the Mg composition x increases, the lattice constant difference in the a-axis direction increases and the defect density of the deposited semiconductor crystal layer increases, so it is more preferable that the range is 0 ≦ x ≦ 0.3.

また、上記したように、ZnO系半導体層12は、ZnOベースの他の化合物結晶であってもよい。例えば、Zn(亜鉛)の一部がCaで置き換えられたZnO系化合物結晶であってもよく、あるいは、O(酸素)の一部がSe、SやTeなどで置き換えられたZnO系化合物結晶であってもよい。   Further, as described above, the ZnO-based semiconductor layer 12 may be another compound crystal based on ZnO. For example, a ZnO-based compound crystal in which a part of Zn (zinc) is replaced by Ca may be used, or a ZnO-based compound crystal in which a part of O (oxygen) is replaced by Se, S, Te, or the like. There may be.

<材料ガス>
高温での成長は、結晶成長面における反応化学種のマイグレーション長が十分得られ高品質なZnO結晶が成長可能になる。反面、酸素源になる気体材料の基板表面への付着が困難になり、成長が阻害される。酸素源として、分子内での分極が大きく、高温においても基板表面に吸着するHO(水蒸気)が適している。
<Material gas>
Growth at a high temperature makes it possible to obtain a high-quality ZnO crystal by sufficiently obtaining the migration length of the reactive chemical species on the crystal growth surface. On the other hand, it becomes difficult for the gaseous material to be an oxygen source to adhere to the substrate surface, and growth is hindered. As the oxygen source, H 2 O (water vapor) that has a large polarization in the molecule and is adsorbed on the substrate surface even at a high temperature is suitable.

Zn源としては、酸素を含まず、酸素源材料と高い反応性を有する有機金属化合物が好適である。上記したDMZnの他には、例えば、DEZn(ジエチル亜鉛)がある。Mg源としては、Cp2Mg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)がある。   As the Zn source, an organometallic compound that does not contain oxygen and has high reactivity with the oxygen source material is suitable. In addition to the DMZn described above, for example, there is DEZn (diethyl zinc). As the Mg source, there is Cp2Mg (biscyclopentadienylmagnesium).

以上、詳細に説明したように、基板との界面に基板由来のアルミニウム(Al)が固溶した固溶層と、Alが高濃度に拡散した高濃度拡散層を形成することによって、電流密度分布の面内不均一が改善される。半導体発光素子構造においては、均一な電流密度分布によって発光領域面内の発光強度分布が大きく改善された。また、電流密度分布が均一化されたことによって発光層への電流注入効率も高まり、発光強度も向上した。   As described above in detail, the current density distribution is obtained by forming a solid solution layer in which aluminum (Al) derived from the substrate is dissolved in the interface with the substrate and a high concentration diffusion layer in which Al is diffused in a high concentration. In-plane non-uniformity is improved. In the semiconductor light emitting device structure, the light emission intensity distribution in the light emitting region plane is greatly improved by the uniform current density distribution. In addition, since the current density distribution is made uniform, the current injection efficiency into the light emitting layer is increased, and the light emission intensity is also improved.

10 基板
11A 第1の低温成長層
11B 第2の低温成長層
12 ZnO系化合物半導体層(高温成長単結晶層)
15 成長層付き基板
20 デバイス層
21 第1のn型半導体層
22 第2のn型半導体層
23 発光層
24 p型半導体層
25 LEDウエハ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Substrate 11A 1st low temperature growth layer 11B 2nd low temperature growth layer 12 ZnO type compound semiconductor layer (high temperature growth single crystal layer)
15 substrate with growth layer 20 device layer 21 first n-type semiconductor layer 22 second n-type semiconductor layer 23 light emitting layer 24 p-type semiconductor layer 25 LED wafer

Claims (10)

サファイア(Al)単結晶の基板上にZnO系結晶を成長した半導体素子であって、
前記基板との界面に前記基板のアルミニウム(Al)が8×1020個/cm以上の濃度で固溶した固溶層、及び前記基板から拡散したAlの濃度が1×1019cm以上である高濃度拡散層を有するZnO系結晶層と、
前記ZnO系結晶層上に形成されたデバイス層と、を有することを特徴とする半導体素子。
A semiconductor element in which a ZnO-based crystal is grown on a sapphire (Al 2 O 3 ) single crystal substrate,
A solid solution layer in which aluminum (Al) of the substrate is dissolved at a concentration of 8 × 10 20 pieces / cm 3 or more at the interface with the substrate, and a concentration of Al diffused from the substrate is 1 × 10 19 cm 3 or more. A ZnO-based crystal layer having a high-concentration diffusion layer,
And a device layer formed on the ZnO-based crystal layer.
前記デバイス層は、前記ZnO系結晶層上に形成されたn型半導体層を有し、前記ZnO系結晶層の合成シート抵抗は、前記n型半導体層のシート抵抗よりも小なることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。   The device layer includes an n-type semiconductor layer formed on the ZnO-based crystal layer, and a composite sheet resistance of the ZnO-based crystal layer is smaller than a sheet resistance of the n-type semiconductor layer. The semiconductor device according to claim 1. 前記ZnO系結晶層は、拡散したAlの濃度が1×1019cm未満の層をさらに有することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the ZnO-based crystal layer further includes a layer having a diffused Al concentration of less than 1 × 10 19 cm 3 . 前記n型半導体層は、第1のn型半導体層と、前記第1のn型半導体層上に形成された第2のn型半導体層とを有し、
前記ZnO系結晶層及び前記第1のn型半導体層の合成シート抵抗は、前記第2のn型半導体層のシート抵抗よりも小なることを特徴とする請求項2又は3に記載の半導体素子。
The n-type semiconductor layer has a first n-type semiconductor layer and a second n-type semiconductor layer formed on the first n-type semiconductor layer,
4. The semiconductor element according to claim 2, wherein a composite sheet resistance of the ZnO-based crystal layer and the first n-type semiconductor layer is smaller than a sheet resistance of the second n-type semiconductor layer. 5. .
前記固溶層の層厚は5nmないし100nmの範囲内であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1に記載の半導体素子。   5. The semiconductor element according to claim 1, wherein a thickness of the solid solution layer is in a range of 5 nm to 100 nm. 前記高濃度拡散層の層厚は5nmないし200nmの範囲内であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1に記載の半導体素子。   6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the high-concentration diffusion layer has a thickness in a range of 5 nm to 200 nm. サファイア(Al)単結晶の基板上にZnO系結晶を成長した成長層付き基板であって、
前記基板との界面に前記基板のアルミニウム(Al)が8×1020個/cm以上の濃度で固溶した固溶層、及び前記基板から拡散したAlの濃度が1×1019cm以上である高濃度拡散層を有するZnO系結晶層を有することを特徴とする成長層付き基板。
A substrate with a growth layer obtained by growing a ZnO-based crystal on a sapphire (Al 2 O 3 ) single crystal substrate,
A solid solution layer in which aluminum (Al) of the substrate is dissolved at a concentration of 8 × 10 20 pieces / cm 3 or more at the interface with the substrate, and a concentration of Al diffused from the substrate is 1 × 10 19 cm 3 or more. A substrate with a growth layer, which has a ZnO-based crystal layer having a high concentration diffusion layer.
サファイア(Al)単結晶の基板上にZnO系結晶を成長して半導体素子を製造する方法であって、
前記基板との界面に前記基板のアルミニウム(Al)が8×1020個/cm以上の濃度で固溶した固溶層、及び前記基板から拡散したAlの濃度が1×1019cm以上である高濃度拡散層を有するZnO系結晶層を形成する工程と、
前記ZnO系結晶層上に形成されたデバイス層を形成する工程と、を有し、
前記ZnO系結晶層を形成する工程は、酸素を含まない有機金属化合物と水蒸気を用いたMOCVD法により、
(a)250℃〜450℃の範囲内の第1の低成長温度及び1kPa〜30kPaの範囲内の低成長圧力で結晶成長を行って第1の単結晶層を形成するステップと、
(b)前記第1の低成長温度よりも高い第2の低成長温度及び前記低成長圧力よりも高い圧力で結晶成長を行って前記第1の単結晶層上に第2の単結晶層を形成するステップと、
(c)高成長温度及び前記低成長圧力よりも高い圧力で結晶成長を行って前記第2の単結晶層上に第3の単結晶層を形成するステップと、を有することを特徴とする方法。
A method for producing a semiconductor device by growing a ZnO-based crystal on a sapphire (Al 2 O 3 ) single crystal substrate,
A solid solution layer in which aluminum (Al) of the substrate is dissolved at a concentration of 8 × 10 20 pieces / cm 3 or more at the interface with the substrate, and a concentration of Al diffused from the substrate is 1 × 10 19 cm 3 or more. Forming a ZnO-based crystal layer having a high-concentration diffusion layer,
Forming a device layer formed on the ZnO-based crystal layer,
The step of forming the ZnO-based crystal layer is performed by MOCVD using an organometallic compound not containing oxygen and water vapor.
(A) performing crystal growth at a first low growth temperature within a range of 250 ° C. to 450 ° C. and a low growth pressure within a range of 1 kPa to 30 kPa to form a first single crystal layer;
(B) Crystal growth is performed at a second low growth temperature higher than the first low growth temperature and a pressure higher than the low growth pressure to form a second single crystal layer on the first single crystal layer. Forming step;
(C) performing a crystal growth at a high growth temperature and a pressure higher than the low growth pressure to form a third single crystal layer on the second single crystal layer. .
前記高成長温度は、700℃〜850℃の範囲内の温度であることを特徴とする請求項8に記載の方法。   The method according to claim 8, wherein the high growth temperature is a temperature within a range of 700C to 850C. 前記第2の低成長温度は、500℃〜650℃の範囲内の温度であることを特徴とする請求項8又は9に記載の方法。   The method according to claim 8 or 9, wherein the second low growth temperature is a temperature within a range of 500C to 650C.
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